Biodegradacin de Disolventes Clorados

1
Biodegradación de Disolventes Clorados
Jim Field, Universidad de Arizona, Dpto
Ingeniería Química y Medioambiental
http//superfund.pharmacy.arizona.edu/outreach.htm
l
2
Producción Industrial de Disolventes Clorados
3
Tipos de Disolventes Clorados
Tetracloruro de Carbono
Cloroformo
1,1,1-Tricloroetano
disolvente industrial
disolvente de desengrasar motores
disolvente de tintoreria
Tetracloroeteno
Tricloroeteno
disolvente de tintoreria
disolvente de desengrasar motores
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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
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Mecanismos Generales de Deshalogenación
Oxígenolitico incorporacion de un molécula de
oxígeno
Hidrolítico sustitución nucleofílica con OH que
origina de agua
Tiolítico sustitución nucleofílica con grupo
sulfihídrico
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Mecanismos Generales de Deshalogenación
Hidrogenólisis Reductiva halógeno se reemplaza
con H
Hidrólisis Reductiva reacción de radical
reducida con agua
Eliminación Reductiva Dicloruro formación de
enlace doble debido a la eliminación de dos
cloruros vecinales
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Mecanismos Generales de Deshalogenación
Eliminación Deshidrocloruro formación de enlace
doble debido a la eliminación de HCl de grupos
vecinales
Transferencia de Grupo Metilo
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Los Cinco Fisiologías de Biodegradación de
Disolvente Clorados
Aeróbico Sustrato de Crecimiento
Disolvente Clorado es Sustrato Primario (fuente
de carbón y energía)
Aeróbico Cooxidación
Disolvente Clorado es Oxidado Fortuitamente
durante la Oxidación Biológica de otra Sustrato
Primario
Anaeróbico Sustrato de Crecimiento
Disolvente Clorado es Sustrato Primario (fuente
de carbón y energía) durante respiración anóxica
y fermentación
Anaeróbico Cometabolismo
Disolvente Clorado es Reducido Fortuitamente por
Encimas Reductivas o Cofactores Reducidos durante
el uso de otra Sustrato
Anaeróbico Halorespiración
Disolvente Clorado Sirve como Aceptor de
Electrones que Apoya el Crecimiento sobre otra
Donador de Electrones (causa deshalogenación
reductiva)
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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
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Biodegradación Aerobia de Clorometanos
ClCH3
Cl- CO2
Clorometano
Crecimiento Hyphomicrobium, Methylobacterium y
otras
Hyphomicrobium MC1
2.16 d-1
Tasa de crecimiento
Methylobacterium CM4
2.88 d-1
Encima Responsable transferasa de metilo
dependiente de corrinoides
Diclorometano
Crecimiento Hyphomicrobium y Methylobacterium
Hyphomicrobium DM1
2.64 d-1
Tasa de crecimiento
Methylobacterium DM11
3.65 d-1
Encima Responsable S-transferasa de glutationina
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Biodegradación Aerobia de Clorometanos
Ruta de biodegradación aeróbica de diclorometano
(Leisinger et al. 1994)
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Biodegradación Aerobia de Clorometanos
Cloroformo
Crecimiento no es posible
Cooxidación con varios microorganismos que
expresan monooxigenasas con otro sustrato primario
Cooxidación de cloroformo con metano por
Methylosinus trichosporium OB3b
Tetracloruro de carbono
Solo hay cometabolismo en condiciones reductivas
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Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Clorometano
Crecimiento Bacterias acetogénicas
4 CH3Cl 2 CO2? 3 CH3COOH
Tasa de crecimiento
0.55 d-1
Acetobacterium dehalogenans
Encima Responsable transferasa de metilo
dependiente de corrinoides
Diclorometano
Crecimiento Bacterias acetogénicas o
desnitrificantes
3CH2Cl2 CO2? 2 CHOOH CH3COOH
Tasa de crecimiento
0.32 d-1
Dehalobacterium formicoaceticum
Encima Responsable transferasa de metilo
dependiente de corrinoides
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Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono
Crecimiento no es posible
Cometabolismo con suministro de donadores de
electrones
Cultivos mixtos anaerobios y cepas puras
(Shewanella spp)
Hidrólisis Reductiva
Hidrogenólisis Reductiva
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Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono (continuado)
Biotransformacion estimulado por mediadores redox
(Guerrero y Field 2004)
control sin lodo, sin mediadores
Tetracloruro de Carbono (uM)
control con lodo, sin mediadores
10 uM riboflavina
10 uM vitamina B12
10 uM AQDS
Tiempo (dias)
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Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono (continuado)
Balance de cloruro despues de 5 dias
Balance de Cloruro ( CT-Cl)
Tratamiento
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Biodegradación Aerobia de Cloroetanos
1,2-dicloroetano
Crecimiento Xanthobacter, Pseudomonas y otras
Xanthobacter autotrophicus GJ10
2.64 d-1
Tasa de crecimiento
Pseudomonas sp. DCA1
3.36 d-1
Encima Responsable
Xanthobacter haloalcano deshalogenasa
(hidrolítico)
Pseudomonas monooxigenasa
1,1,1-tricloroetano
Crecimiento no es posible
Cooxidación con varios microorganismos que
expresan monooxigenasas con otro sustrato primario
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Rutas de biodegradación aeróbica de
1,2-dicloroetano
(Hage y Hartmans 1999)
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Biodegradación Anaerobia de Cloroetanos
Dicloroetano, Tricloroetano, Tetracloroetano y
Hexacloroetano
Halorespiración en algunos casos
Dehalococcoides 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
electrones
Cultivos mixtos anaerobios y cepas puras (p.e.
Methanobacterium y Desulfobacterium spp)
Dos Tipos de Reacciones Predominantes
Hidrogenólisis Reductiva (d-Cl)
Eliminación Reductiva Dicloruro (d-Cl2)
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Ruta de Biotransformación de Tricloroetano en
Lodos Anaerobios
(Chen et al. 1996 van Eekert et al. 1999)
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Tasa de biotransformación de cloroetanos en
relación de numero de grupos clorados
lodo vivo
lodo matado
Logaritmo de la tasa de formación de productos
Número de Grupos Clorados
(van Eekert et al. 1999)
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Biodegradación Aerobia de Cloroetenos
Cloruro de vinilo
Crecimiento por algunas cepas
Mycobacterium JS60
0.220 d-1
Tasa de crecimiento
Pseudomonas sp. DL1
0.046 d-1
Encima Responsable monooxigenasa
Cooxidación con varios microorganismos que
expresan monooxigenasas con otro sustrato primario
Monooxigenase de metano (Methylosinus
trichosporium OB3b)
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Biodegradación Aerobia de Cloroetenos
Tricloroeteno y Tetracloroeteno
Crecimiento no es posible
Cooxidación Tricloroeteno con varios
microorganismos que expresan monooxigenasas con
otro sustrato primario
Monooxigenase de metano (Methylosinus
trichosporium OB3b)
Monooxigenasa de tolueno
Monooxigenasa de amonia (Nitrosomonas)
Epoxida con vida media de 21 segundos
Tetracloroeteno no es biodegradable en
condiciones aerobicas
24
Ruta de biodegradación aeróbica de tricloroetneo
25
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Halorespiracion de Cloroetenos
PCE
TCE
cDCE
Descloración Parcial
Especia
Donadores de Electrones
Productos
Bacteria Gram Positiva de Baja GC
Dehalobacter restrictus
hidrogeno
TCE, cDCE
Desulfitobacterium sp Y51
piruvato, formato y lactato
cDCE
Clostridium bifermentans
extracto de levadura, glucosa
cDCE
?-Proteobacteria
Desulfuromonas spp
acetato, piruvato
cDCE
?-Proteobacteria
Sulfurospirillum spp
piruvata, lactato, hidrogeno
cDCE
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Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Halorespiracion de Cloroetenos
PCE
eteno
Descloración Completa
Especia
Donadores de Electrones
Productos
Bacterias no-azufre verdes
Dehaloccoides ethenogens
hidrogeno
VC, eteno
PCE ?
Dehaloccoides sp. VS
VC ?
hidrogeno
eteno
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 Reductivas
Contiene cofactores corrinoides (vitamina B12)
Contiene clústeres hierro/azufre (Fe/S)
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Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Cometabolismo de Cloroetenos
Microorganismos Metanogenicos
Methanosarcina Methanobacterium
thermoautitrophicum
Bacterias Acetogenicos
Acetobacterium woodii Sporomusa ovata
Mecanismos reacciones fortuitos con cofactores
reducidos como F430 con Ni y corrinoides con Co
Tasas de Descloracion de Cloroetenos
?
Tipo Microorganismo
Actividad Especifica
(d-1)
(mg g-1 peso seco d-1)
Halorespiracion
850-37,500
0.23-5.76
Microorganismos Metanogenicos
0.04 6.3
Bacterias Acetogenicos
7.1 19.5
Cooxidacion Aerobica
3700-55,000
28
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Ruta Anaerobica de Biotransformacion de
Cloroetenos
PCE
TCE
cDCE
VC
E
etano
A
29
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Ejemplo de Biotransformacion Anaerobica de
Tetracloroeteno
suma de etenos
E
cDCE
PCE
TCE
VC
(Hunkeler et al 1999)
30
Sumario de Biodegradación de Disolvente Clorados
grupos clorados
Aeróbico
Anaeróbico
crecer
cooxid.
crecer
comet.
haloresp.
Clorometanos
1 - 2
3
4
Cloroetanos
1 - 2
3 - 4
5 - 6
Cloroetenos
1 - 2
3
4
31
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
32
Bioremediación de Tetracloroeteno en Bioreactores
Anaerobias
Lecho Estationario de Biopelicula Fijado
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
Bioreactor
Tasa Volumétrica
Reaccion
Donador de Electrones
(g m-3reactor d-1)
Lecho Expandido de Biopelicula Fijado
sucrosa
PCE ? VC, E
79.0
6.1
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
etanol
PCE ? cDCE
32.5
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
formato, acetato
PCE ? cDCE
41.0
Lecho Estationario de Biopelicula Fijado
3-clorobenzoato
PCE ? cDCE
Columna de sedimentos y lodo
lactato
PCE ? E, A
14.7
(modificado en parte de Middeldorp et al, 1999)
33
Atenuación Natural de Cloroetenos
34
Matriz de Factibilidad de Atenuación Natural de
Cloroetenos
Presencia de Dehalococcoides
Fuente de Carbón Orgánica
presente
ausente
Tipo I
Sustrato primario es carbón orgánico
antropogénico
PCE ? cDCE
PCE ? E
Tipo II
PCE ? cDCE
PCE ? E
Sustrato primario es carbón orgánico natural
Tipo III
PCE no es degradable
PCE no es degradable
No hay fuente de carbón organico
35
Atenuación Natural de Cloroetenos
Ejemplos de Atenuación Natural de Cloroetenos
(ITRC, 1999)
36
Atenuación Natural de Cloroetenos
Perfil de Aceptores de Electrones en la Pluma de
Cloroetenos Sujeto a Atenuación Natural. Caso
Hipotético (ITRC, 1999)
37
Atenuación Natural de Cloroetenos
Perfil de Productos de la Descloración Reductiva
en la Pluma de Cloroetenos Sujeto a Atenuación
Natural. Caso Hipotético (ITRC, 1999)
38
Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
Cuando es Aplicable la Bioremediación In Situ?
Para sitios que no tiene fuente de carbón
orgánico
Materia Orgánica
Adición de Donador de Electrones
Ejemplos
metanol
extracto de levadura
benzoato
aceite vegetal
H2
Competición para electrones
SO42-
CO2
PCE
Suministro despacio de H2 favorece
halorespiracion sobre metanogénesis y reducción
de sulfato
H2S
CH4
eteno
Adición de Microorganismos (Bioaugmentación)
Añadir cepas como Dehalococcoides que favorece la
reducción completo hacia eteno
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Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
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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
desnitrificación
metanogénesis
reducción de hierro
reducción de sulfato
41
Bioremediación Anaeróbica In Situ de Cloroetenos
Ejemplos de la Bioremediación In Situ de
Disolventes Clorados
(Lee et al 1998)
42
Ejemplo de Bioaugmentación con Dehaloccoides
Pozo de Control
Pozo Bioaugmentado
Base Aerea Dover
(Ellis et al.
2000)
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Bioremediación en Breda, Holanda
44
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
cloroetenos fueron removidos en el agua
subterráneo y la otra 50 en el bioreactor
tratando el vapor de suelo extraído
(Gerritse et al. 1998)
45
Recapitulación de Breda 1625
Fin Del Curso