Biodegradación de Disolventes Clorados · 2009-09-21 · Producción Natural de Disolventes...

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


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


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


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)


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


Diclorometano

Crecimiento: Bacterias acetogénicas o desnitrificantes3CH2Cl2 + CO2→ 2 CHOOH + CH3COOH

0.32 d-1Tasa de crecimiento Dehalobacterium formicoaceticum


Biodegradación Anaerobia de Clorometanos

Cloroformo/Tetracloruro de Carbono


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


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)


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



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-


Monooxigenase de metano (Methylosinus trichosporium OB3b)

Biodegradación Aerobia de CloroetenosTricloroeteno y Tetracloroeteno


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


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


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


Bioremediación In Situ Anaerobia i Anaerobia-Aerobia


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


Ejemplos de Atenuación Natural de Cloroetenos

(ITRC, 1999)


Perfil de Aceptores de Electrones en la Pluma de CloroetenosSujeto a Atenuación Natural. Caso Hipotético (ITRC, 1999)


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


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


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


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

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