Biodegradación de Disolventes Clorados

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
Cl
Cl
C Cl
Cl
Cl
Tetracloruro de
Carbono
Cl
Cl
Cl
C H
Cl
Cloroformo
Cl
Cl
Cl
Cl
H
Cl
Cl
disolvente de desengrasar
motores
H
disolvente de desengrasar
motores
Cl
Tricloroeteno
H
1,1,1-Tricloroetano
disolvente industrial
disolvente de tintoreria
H
Tetracloroeteno
disolvente 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:
Cloroformo:
4,000,000 t/a
700,000 t/a
Mecanismos Generales de Deshalogenación
Oxígenolitico: incorporacion de un molécula de oxígeno
HCl
H
Cl
H
O2
H
H O Cl
H
espontaneo
H
acidos
organicos
Hidrolítico: sustitución nucleofílica con OH que origina de agua
H
R C Cl + H2O
H
H
R C OH +
HCl
H
Tiolítico: sustitución nucleofílica con grupo sulfihídrico
H
R C Cl + R2 SH
H
H
R C S R2 + HCl
H
Mecanismos Generales de Deshalogenación
Hidrogenólisis Reductiva: halógeno se reemplaza con H
H
H
2e-, 2H+
R C Cl
R C H + HCl
H
H
Hidrólisis Reductiva: reacción de radical reducida con agua
Cl
R C Cl
-
2e , 2H
+
H2O
CO + 2HCl
H2O
COOH + 2HCl
2HCl + R C
Cl
Cl
Eliminación Reductiva Dicloruro: formación de enlace
doble debido a la eliminación de dos cloruros vecinales
Cl Cl
R C C H
H H
2e-, 2H+
R
H
+ 2HCl
H
H
Mecanismos Generales de Deshalogenación
Eliminación Deshidrocloruro: formación de enlace doble debido
a la eliminación de HCl de grupos vecinales
Cl H
R
H
R C C H
H H
+ HCl
H
H
Transferencia de Grupo Metilo:
H
H C Cl + R H
H
H
R C H + HCl
H
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)
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
Clorometano
ClCH3
Cl- + CO2
Crecimiento: Hyphomicrobium, Methylobacterium y otras
Tasa de
crecimiento
Hyphomicrobium MC1
2.16 d-1
Methylobacterium CM4
2.88 d-1
Encima Responsable: transferasa de metilo dependiente
de corrinoides
Diclorometano
Crecimiento: Hyphomicrobium y Methylobacterium
Tasa de
crecimiento
Hyphomicrobium DM1
2.64 d-1
Methylobacterium DM11
3.65 d-1
Encima Responsable: S-transferasa de glutationina
Biodegradación Aerobia de Clorometanos
Ruta de biodegradación aeróbica de diclorometano
H
Cl
C
H
H
HS-G HCl
Cl
Cl
glutationina-Stransferasa
C
H
H2O HCl
HO
S-G
C
S-G
abiotico
H
H
HS-G
O
H
C
formaldehida
H
celulas
(Leisinger et al. 1994)
CO2
Biodegradación Aerobia de Clorometanos
Cloroformo
Crecimiento: no es posible
Cooxidación con varios microorganismos que expresan
monooxigenasas con otro sustrato primario
Cl
O2
Cl
Cl
Cl
C
H
Cl
monooxygenasa
de metano
Cl
cloroformo
C
Cl
OH
C
Cl-
O
CO2
Cl
fosgeno
2 Cl-
Cooxidación de cloroformo con metano por Methylosinus trichosporium OB3b
Tetracloruro de carbono
Solo hay cometabolismo en condiciones reductivas
Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Clorometano
Crecimiento: Bacterias acetogénicas
4 CH3Cl + 2 CO2→ 3 CH3COOH
Tasa de
crecimiento
Acetobacterium dehalogenans
0.55 d-1
Encima Responsable: transferasa de metilo dependiente
de corrinoides
Diclorometano
Crecimiento: Bacterias acetogénicas o desnitrificantes
3CH2Cl2 + CO2→ 2 CHOOH + CH3COOH
Tasa de
Dehalobacterium formicoaceticum
crecimiento
0.32 d-1
Encima Responsable: transferasa de metilo dependiente
de corrinoides
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)
Cl
Cl
tetracloruro de carbono
2e-
ClCl
C Cl
diclorocarbeno
Cl
Cl
Hidrogenólisis
Reductiva
C
2e- H+
2H2O
HCl
2HCl
Cl
Cl
cloroformo
C H
formato
HCOOH
CO
Cl
2e- H+
HCl
Cl
diclorometano
H C H
Cl
CO2
monooxido
de carbono
Hidrólisis
Reductiva
Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono (continuado)
Biotransformacion: estimulado por mediadores redox
(Guerrero y Field 2004)
control sin lodo, sin mediadores
100
80
60
40
10
M
10 u
vitam
20
uM
rib
o
fla
control con lodo, sin
mediadores
vin
a
12
ina B
Tetracloruro
de Carbono
Carbon Tetrachloride
Conc. ((uM)
µM)
120
0
0
10 uM AQDS
4
8
Time (days)
Tiempo
(dias)
12
16
Biodegradación Anaerobia de Clorometanos
Cloroformo/Tetracloruro de Carbono (continuado)
Balance de cloruro despues de 5 dias
80
60
ClCF
CT
40
20
Tratamiento
Treatment
2
C
T+
B1
2
C
T+
H
O
B1
C
T+
rib
o
D
S
C
T+
AQ
C
T
tc
lC
T
Au
tr
C
T
0
C
on
Chlorine
CT-Cl)
Balance
deBalance
Cloruro (% CT-Cl)
100
Biodegradación Aerobia de Cloroetanos
1,2-dicloroetano
Crecimiento: Xanthobacter, Pseudomonas y otras
Xanthobacter autotrophicus GJ10
Tasa de
crecimiento Pseudomonas sp. DCA1
2.64 d-1
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
Rutas de biodegradación aeróbica de 1,2-dicloroetano
X. autotrophicus
A. aquaticus
1,2-dicloroetano
Pseudomonas DCA1
H H
NADH
momooxigenasa
NAD
Cl
H2O
H H
+
HCl
O2
H OH
1,2-dicloroetanol
C C Cl
Cl
C C Cl
haloalcano
deshalogenasa
H H
H2O
C C OH 2-cloroetanol
Cl
H H
H H
2-cloroetanol
dehidrogenasa
PQQ
espontanio
PQQH2
H O
HCl
Cl
C C H
cloroacetaldehida
H
+
NAD + H2O
NADH
cloroacetaldehida
dehidrogenasa
H O
Cl
C C OH acido cloroacetico
H
H2O
acido cloroacetico
deshalogenasa
HCl
H O
(Hage y Hartmans 1999)
HO C C OH
H
acido glicolico
CO2
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)
Ruta de Biotransformación de Tricloroetano en Lodos
Anaerobios
Cl H
1,1,2-tricloroetano
Cl
C C H
H Cl
d-Cl
d-Cl2
Cl H
1,2-dicloroetano
Cl
C C
H C C H
H Cl
d-Cl
H H
d-Cl
Cl H
H C C H
H C C H
H H
H H
etano
H
cloroetano
cloruro de vinilo
H
H
H
H
d-Cl2
C C
H
H
eteno
(Chen et al. 1996; van Eekert et al. 1999)
Tasa de biotransformación de cloroetanos en relación de
numero de grupos clorados
Logaritmo de la tasa de
formación de productos
lodo vivo
lodo matado
Número de Grupos Clorados
(van Eekert et al. 1999)
Biodegradación Aerobia de Cloroetenos
Cloruro de vinilo
Crecimiento por algunas cepas
0.220 d-1
Mycobacterium JS60
Tasa de
crecimiento Pseudomonas sp. DL1
0.046 d-1
Encima Responsable: monooxigenasa
Cl
monooxigenasa
Cl
O
cloruro de vinil
CO2 + Cl-
epoxida de
cloruro de vinil
Cooxidación con varios microorganismos que expresan
monooxigenasas con otro sustrato primario
Monooxigenase de metano (Methylosinus trichosporium OB3b)
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)
monooxigenasa
de metano
Cl
Cl
Cl
Cl
O
Cl
tricloroetano
Cl
Epoxida con vida
media de 21
segundos
epoxida de
tricloroetano
Tetracloroeteno: no es biodegradable en condiciones
aerobicas
Ruta de biodegradación aeróbica de tricloroetneo
acido glioxilico
O
TCE-epoxido
O
C C
Cl
Cl
H
monooxigenasa
de metano
O H
C C
Cl
Cl
C C
Cl
abiotico
H
OH
O
2 HCl
H C OH
acido formico
Cl
Tricloroeteno
cloral
Cl
O
Cl C C
Cl
H
+
CO
monooxido
de carbono
HCl
H
O
Cl
O
Cl C C
Cl C C
Cl
OH
Cl
OH
acido tricloroacetico
acido dicloroacetico
Cl
H
Cl C C OH
Cl
H
2,2,2-tricloroetanol
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Halorespiracion de Cloroetenos
PCE
TCE
Cl
Cl
Cl
H
Cl
Cl
Cl
Cl
cDCE
H
H
Descloración Parcial
Especia
Donadores de Electrones
Cl
Cl
Productos
Bacteria Gram Positiva de
Baja G+C
Dehalobacter restrictus
hidrogeno
Desulfitobacterium sp Y51
piruvato, formato y lactato
TCE, cDCE
cDCE
Clostridium bifermentans
extracto de levadura, glucosa
cDCE
acetato, piruvato
cDCE
piruvata, lactato, hidrogeno
cDCE
δ-Proteobacteria
Desulfuromonas spp
ε-Proteobacteria
Sulfurospirillum spp
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Halorespiracion de Cloroetenos
PCE
Cl
Cl
Cl
Cl
eteno
e-
H
H
H
H
Descloración Completa
Especia
Donadores de Electrones
Productos
Bacterias no-azufre verdes
PCE → VC, eteno
Dehaloccoides ethenogens*
hidrogeno
Dehaloccoides sp. VS
hidrogeno
VC → eteno
Dehaloccoides sp. Bachman
hidrogeno
VC → 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)
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
(mg g-1 peso seco d-1)
Halorespiracion
850-37,500
Microorganismos Metanogenicos
0.04 – 6.3
Bacterias Acetogenicos
7.1 – 19.5
Cooxidacion Aerobica
3700-55,000
µ
(d-1)
0.23-5.76
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Ruta Anaerobica de Biotransformacion de Cloroetenos
Cl
Cl
H
C C
Cl
Cl
H
C C
Cl
tetracloroeteno
PCE
Cl
H
H
C C
Cl
tricloroeteno
TCE
Cl
H
H
C C
C C
Cl
cis dicloroeteno
cDCE
Cl
H
H
H
H
eteno
cloruro de vinilo
VC
E
H
H
H
H
H
H
etano
A
Biodegradación Anaerobia de Cloroetenos
Ejemplo de Biotransformacion Anaerobica de Tetracloroeteno
suma de etenos
E
cDCE
PCE
TCE
VC
(Hunkeler et al 1999)
Sumario de Biodegradación de Disolvente
Clorados
# grupos clorados
Aeróbico
crecer
cooxid.
Anaeróbico
crecer
comet.
haloresp.
Clorometanos
1-2
3
4
++
-
+
+
-
+
-
+
+
++
-
++
-
+
+
-
-
+
+
++
+
+
+
+
-
++
++
-
-/+
-
-/+
+
+
+
++
++
?
?
Cloroetanos
1-2
3-4
5-6
Cloroetenos
1-2
3
4
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 de Lodo de
Flujo Ascendente
Lecho Estationario
de Biopelicula
Fijado
Bioreactor
Reaccion
Donador de
Electrones
Tasa
Volumétrica
(g m-3reactor d-1)
Lecho Expandido de Biopelicula Fijado
PCE → VC, E
sucrosa
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
PCE → cDCE
etanol
Lecho de Lodo de Flujo Ascendente
PCE → cDCE
formato, acetato
32.5
Lecho Estationario de Biopelicula
Fijado
PCE → cDCE
3-clorobenzoato
41.0
Columna de sedimentos y lodo
PCE → E, A
lactato
14.7
(modificado en parte de Middeldorp et al, 1999)
79.0
6.1
Atenuación Natural de Cloroetenos
Matriz de Factibilidad de Atenuación Natural
de Cloroetenos
Fuente de Carbón Orgánica
Presencia de Dehalococcoides
presente
ausente
Tipo I
Sustrato primario es
carbón orgánico
antropogénico
PCE → cDCE
PCE → E
PCE → cDCE
PCE → E
PCE no es
degradable
PCE no es
degradable
Tipo II
Sustrato primario es
carbón orgánico natural
Tipo III
No hay fuente de carbón
organico
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 Cloroetenos
Sujeto 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
Orgánica
Adición de Donador de Electrones
Ejemplos
metanol
benzoato
extracto de levadura
aceite vegetal
Competición para electrones
Suministro despacio de H2 favorece
halorespiracion sobre metanogénesis y
reducción de sulfato
H2
SO42-
CO2
PCE
CH4
eteno
Adición de Microorganismos (Bioaugmentación)
Añadir cepas como Dehalococcoides que favorece
la reducción completo hacia eteno
H2S
Bioremediación Anaeróbica In Situ de
Cloroetenos
Dondador de Electrones
Nutrientes
Pozo de
Inyección
Pozo de
extracción
Nivel de agua subterráneo
Flujo de agua subterráneo
Pozo de
monitoreo
Zona
Contaminada
Pozo de
extracción
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
metanogénesis
desnitrificación
reducción de sulfato
reducción de hierro
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
Base Aerea Dover
Pozo Bioaugmentado
(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 cloroetenos
fueron 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