Biodegradació de compostos orgànics halogenats amb Trametes versicolor

Abstract

Actualment, un dels grans reptes de la bioremeiació és disposar de microorganismes que siguin capaços de degradar, en diferents hàbitats, una gran diversitat d’estructures químiques complexes. En el cas dels tractaments amb fongs de podridura blanca, aquests han demostrat la seva capacitat de degradar, tant en sòl com en medi líquid, una gran varietat de compostos recalcitrants. El treball de Tesi que es presenta engloba diferents aspectes de l’estudi de la degradació de diferents contaminants orgànics halogenats mitjançant el fong de podridura blanca Trametes versicolor. Els resultats corresponents es presenten en quatre apartats diferenciats: El primer apartat tracta el disseny i posterior aplicació d’un reactor per degradar tricloroetilè (TCE) en fase aquosa mitjançant el fong. En la primer lloc es determinen els diferents paràmetres necessaris per al disseny del bioreactor, que corresponen a l’equilibri gas-líquid i sòlid-líquid del contaminant i el consum d’oxigen del fong. A continuació, es presenta el disseny del reactor, incloent la determinació de l’equació cinètica de degradació de TCE. En tercer i últim lloc, es mostra l’aplicació del procés de disseny en un reactor hermètic agitat mecànicament per comprovar la seva validesa i l’estudi de l’efecte de diferents paràmetres en la degradació de TCE. El segon apartat correspon a la degradació de polibromodifenil éters (PBDEs) en medi líquid mitjançant el fong. S’ha estudiat la capacitat del fong per degradar les mescles de decabromodifenil éter (decaBDE), octabromodinfenil éters (octaBDEs) i pentabromodifenil éters (pentaBDEs). En tots els casos el fong és capaç d’eliminar els compostos presents a les diferents mescles amb un elevat percentatge. La prova d’inhibició enzimàtica realitzada indica que el citocrom P450 és l’enzim responsable del primer pas de degradació d’aquests contaminant mitjançant el fong. En el cas de les mescles d’octaBDEs i pentaBDEs, s’ha detectat la formació d’un hexabromodifenil éter monohidroxilat i d’un tetrabromodifenil éter monohidroxilat, respectivament, per a un temps de 12 hores. Aquests dos compostos són degradats posteriorment pel fong. En el cas del decaBDE, no s’ha detectat la formació de cap PBDE hidroxilat, però s’ha de tenir en compte que no s’ha disposat de mostres de degradació per a temps inferiors a 24 h. El tercer apartat correspon a l’estudi de la degradació de contaminants mitjançant el procés de biooxidació avançada amb el fong, que es basa en l’oxidació de contaminants mitjançant radicals hidroxils induïts pel fong. Primer, es mostra l’optimització de la degradació de TCE en ampolles de sèrum mitjançant aquest procés, a partir de l’estudi de l’efecte de la velocitat d’agitació, de la relació de volum entre la fase gas i la fase líquida i de la concentració de biomassa en el procés de degradació. Els percentatges de degradació de TCE obtinguts en un reactor hermètic agitat mecànicament han estat significativament inferiors als obtinguts en ampolles de sèrum. En segon i últim lloc, es presenta l’aplicació en reactor d’aquest procés per degradar la carbamazepina. S’ha treballat amb un reactor fluïditzat per polsos d’aire en mode discontinu seqüencial i en continu. En els dos casos, el procés és capaç de degradar la carbamazepina durant un temps llarg, obtenint majors percentatges de degradació operant en mode discontinu seqüencial. El quart i últim apartat es centra en l’aplicació de l’anàlisi isotòpic d’elements estables en la degradació de contaminants mitjançant el fong. Entre tots els contaminants estudiats, només en el cas del TCE i el tetracloroetilè s’ha obtingut un percentatge de degradació suficientment elevat per a poder aplicar la tècnica esmentada amb fiabilitat. Per aquests dos compostos, el fraccionament de carboni obtingut a causa del procés de degradació no es pot considerar significatiu.

Nowadays, one of the most challenges for bioremediation is to have microorganisms that are able to degrader, in different environments, a large diversity of complex chemical structures. In the case of treatments by white-rot fungi, they are able to degrade, both in soil and water, a large variety of recalcitrant compounds. The PhD work that is presented includes different aspects about the study of some halogenated organic compounds by the white-rot fungi Trametes versicolor. The results obtained are presented in four different sections: The first section describes the reactor design and application to degrade trichloroethylene (TCE) in liquid medium by the fungus. First of all, the determination of several important parameters related to reactor design, which correspond to TCE gas-liquid and solid-liquid equilibriums and fungus oxygen consume, is shown. After that, the reactor design is presented, including the TCE degradation equation. At last, it is showed the design process application in a mechanical agitated and hermetical reactor to check its validity and to study the effect of different parameters in TCE degradation. The second section corresponds to polibromodiphenyl ethers (PBDEs) degradation in liquid medium by the fungus. The fungus capacity to degrade decabromodiphenyl ether (decaBDE), octabromodiphenyl ethers (octaBDEs) and pentabromodiphenyl ethers (pentaBDEs) mixtures has been studied. In all cases, the fungus is able to eliminate all the compounds included in these mixtures in a high percentage. The enzymatic inhibition test performed indicates that the cytochrome P450 is the enzyme involved in the first step of decaBDE degradation. In relation to octaBDEs and pentaBDEs mixtures, a hydroxilated hexabromodiphenyl ether and a hydroxilated tetrabromodiphenyl ether have been detected, respectively, at a time of 12 hours. These two compounds are later degraded by the fungus. In the case of decaBDE, it has not been detected any hydroxilated PBDE as a degradation product, but it is important to indicate that it has not been possible to analyze samples for an experimental time earlier than 24 hours. The third section corresponds to study of pollutants degradation by the fungus under quinone redox cycling conditions, which consists of compounds oxidation by hydroxyl radicals induced by the fungus. Firstly, the TCE degradation optimisation in serum bottles is shown. This optimisation is based on the study of agitation speed, gas-liquid volume relation and biomass concentration effects on pollutant degradation. TCE degradation percentages obtained in a mechanical agitated and hermetical reactor have been significantly lower than the results obtained in serum bottles. After that, the mechanism application in a reactor in order to degrade carbamazepine is presented. The experiments have been carried out in an air pulses bioreactor in sequenced batch mode and continuous mode. In both cases, the degradation process is able to degrade the pollutant for a long time period, obtaining higher degradation percentages if sequenced batch reactor is performed. The last section is focused on compound-specific stable isotope analysis application in pollutant degradation by the fungus. Among all the pollutants degraded, only TCE and tetrachloroethylene degradation percentages have been high enough to obtain a reliable application of this technique. In both cases, the carbon fractionation obtained due to degradation process is not significant.