Identificació dels processos biogeoquímics que es donen en la zona de la font per al disseny d’estratègies de remediació en aqüífers contaminats per cloroetens

Abstract

El present treball de Tesi doctoral es centra en l'estudi d'episodis de contaminació afectats principalment per cloroetens, solvents organoclorats que formen un dels grups de DNAPL (dense non-aqueous phase liquids) quantitativament més importants. La baixa solubilitat dels DNAPL i la seva elevada persistència en les matrius ambientals, expliquen que en el nostre país, gran nombre d'episodis de contaminació tinguin el seu origen en èpoques passades, en què la falta d'una conscienciació ambiental i la inexistència d'una legislació apropiada varen possibilitar una mala praxis en la gestió d'aquests compostos. Alhora, les seves característiques intrínseques expliquen la llarga vida de les fonts i plomalls de contaminació associats que afecten tant els aqüífers com els sòls. La present Tesi Doctoral té com a principals objectius la caracterització dels processos biogeoquímics i les comunitats microbianes en la zona de la font que succeeixen en un context de ventalls al•uvials. A més, es caracteritzen les zones d'especial activitat microbiana, en especial els ecotons, i l'extensió dels processos biogeoquímics al llarg del plomall. Un altre dels objectius és la integració qualitativa i quantitativa dels elements que defineixen les diferents heterogeneïtats, amb la finalitat de comprendre la complexitat del medi, així com analitzar la viabilitat de l'aplicació d'estratègies de remediació integrals que permetin la descontaminació de la zona de la font. Els estudis portats a terme a nivell de camp per a la caracterització de les heterogeneïtats geològiques, geoquímiques i microbiològiques de la zona de la font de contaminació s'han fonamentat en la realització de sondatges d'investigació amb recuperació de testimoni continu. L'anàlisi integrada de les heterogeneïtats geològiques, hidrogeològiques, biogeoquímiques i microbiològiques dels materials del subsòl ha permès determinar com aquestes heterogeneïtats controlen la distribució dels cloroetens, els processos de transferència de massa i els processos de degradació, alhora que condicionen també la diversitat, el grau de desenvolupament i l'estructura de les comunitats microbianes. La caracterització dels processos de deshalogenació s'ha estudiat tant en la matriu sediment com en la matriu aigua, a partir de quatre aproximacions diferents: 1) la quantificació del percloroetilè (PCE) i els seus metabòlits; 2) la determinació de la composició isotòpica del PCE a partir de l'anàlisi isotòpica de compostos específics (Compound Specific Isotope Analysis, CSIA) tant en l'aigua intersticial com en l'aigua de l'aqüífer; 3) la identificació de processos d'acceptadors finals d'electrons (com ara desnitrificació, reducció del Mn i del Fe i sulfato-reducció); i 4) l'anàlisi de les comunitats microbianes.

S’han estudiat quatre estratègies de remediació diferents en experiments de microcosmos en condicions anòxiques: l’atenuació natural, la bioestimulació amb àcid làctic, la reducció química in situ (ISCR) amb ferro zero valent (ZVI) i una combinació de les dues darreres estratègies. A més, s’ha determinat l’evolució dels processos biogeoquímics i de les comunitats microbianes per aquestes quatre estratègies en els sediments de la part superior de l’aqüífer (caracteritzada per una elevada conductivitat hidràulica i una heterogeneïtat baixa) i de la zona inferior de l’aqüífer. Aquesta zona inferior de l’aqüífer es caracteritza com a zona de transició, amb una baixa conductivitat hidràulica i una elevada heterogeneïtat. L’anàlisi integrada dels resultats obtinguts a partir de l’ús de tècniques de camp i laboratori ha permès descriure les comunitats microbianes i els processos biogeoquímics que inhibeixen o estimulen la deshalogenació del PCE i els seus metabòlits en la zona de la font de contaminació.

The present PhD thesis focuses on the study of pollution episodes, mainly affected by chloroethenes, organochlorine solvents which form one of the groups of DNAPL (dense non-aqueous phase liquids) quantitatively most important. The low solubility of DNAPL and high persistence in environmental matrices, explain that in Catalonia, many episodes of pollution originating from the past, where a lack of environmental awareness and the absence of appropriate legislation enabled malpractice in the management of these compounds. Also, their intrinsic characteristics explain the long life of the sources and associated plumes affecting both groundwater and soil. This PhD thesis has as main objectives the characterization of the biogeochemical processes and microbial communities in the vicinity of the polluting source in a context of alluvial fans. In addition, areas of particular microbial activity, especially ecotones, and the extension of biogeochemical processes along the plume are characterized. Another objective is the qualitative and quantitative integration of the elements that define the various heterogeneities, in order to understand the complexity of the environment, and to analyze the feasibility of implementing comprehensive remediation strategies that allow decontamination area the source. The integrated analysis of geological, hydrogeological, biogeochemical and microbiological heterogeneities of the subsoil materials has allowed determining how these heterogeneities control the distribution of chloroethenes, processes of mass transfer and degradation processes, while also conditioning diversity, the degree of development and structure of microbial communities. Characterization of dehalogenation processes has been studied in the matrix sediment and matrix water from four different approaches: 1) quantification of perchlorethylene (PCE) and metabolites; 2) determination of the isotopic composition of PCE from compound specific isotope analysis (CSIA) in both porewater and groundwater; 3) the identification of terminal electron acceptor processes; and 4) the analysis of microbial communities.