Stable isotopes analysis to assess abiotic and biotic remediation of groundwater polluted by chlorinated methanes

Abstract

Carbon tetrachloride (CT) and chloroform (CF) are chlorinated methanes (CMs) which have been released to the environment for decades owing to scarce waste management. Since they are dense non-aqueous phase liquids (DNAPLs), CMs migrate downwards and reach groundwater constituting a contamination source. Thus, this pollution requires a thoughtful monitoring and treatment since CT and CF are toxic and predicted to be carcinogenic substances (IARC, 2017). Although CT and CF are considered quite persistent in aquifers, they undergo abiotic and biotic natural attenuation. This degradation occurs mainly through reductive pathways under anoxic conditions, but CF oxidative microbial cometabolism could be also plausible (Cappelletti et al., 2012; Penny et al., 2010). Hence, CMs transformation processes are expected under field conditions. Òdena field site (Barcelona, Spain) is polluted by CMs among other volatile organic compounds (VOCs) due to industrial activity during the 70s and 80s. Chlorinated ethenes (CEs) degradation was detected in the fractured aquifer by carbon isotope (δ13C) enrichment over time (Palau et al., 2014b). CF alkaline hydrolysis (AH) was also revealed by δ13C monitoring in the interception trenches filled with construction wastes (pH ~12) built in the unsaturated zone after 2005 source removal, whereas the cause of CT δ13C enrichment over time in these trenches remains unknown (Torrentó et al., 2014). Induced reactions bear potential to overcome the challenges derived from the slow degradation rates of CMs natural attenuation. Biostimulation, zero valent iron permeable reactive barriers (Fe(0)-PRB) or those made of other reducing agents are receiving increasing attention as alternative remediation strategies. However, in situ chemical oxidation (ISCO) and alkaline hydrolysis are techniques of interest only for CF as a result of the high oxidation state of carbon in CT. Compound specific isotopic analysis (CSIA) is a useful tool to evaluate the efficiency of both CMs natural attenuation and induced strategies in the field. CSIA not only verifies that the concentration decrease is due to reactive processes (instead of dispersion or dilution) but also permits quantification. Moreover, dual isotope plots in which shifts in isotope values of one element are plotted against those of a second element, allow distinction between different CMs reaction mechanisms by means of specific slopes (Λ). Thus, laboratory CMs degradation experiments under controlled conditions are required to gain understanding of the expected isotopic changes in the field and to evaluate whether it is feasible to quantitatively detect degradation. Although relatively new, Cl-CSIA for CEs and chlorinated ethanes has been gradually incorporated in the last 6 years in combination with consolidated C-CSIA. However, Cl-CSIA was only used in few laboratory experiments for CF and the method was not validated for any CMs prior to this thesis.

The main aims of this thesis have been to better understand CMs natural attenuation together with potential CMs remediation strategies to improve the assessment of CMs fate in Òdena site and, by extension, in other polluted sites all over the world. These goals were addressed primarily by C-CSIA and Cl-CSIA, among other techniques. Prior to their use in laboratory or field samples, Cl-CSIA method has been developed and evaluated for CT and CF by both, gas chromatography-isotope ratio mass spectrometry (GC-IRMS) and by gas chromatography-quadrupole mass spectrometry (GC-qMS validated in an interlaboratory comparison) through an international collaboration (Helmholtz Zentrum München and Université de Neuchâtel) during different thesis stays. Three relevant abiotic CF transformation mechanisms were studied in batch experiments: oxidation by heat-activated persulfate (abbreviated as PS); AH and reductive dechlorination by Fe(0), obtaining similar Λ values for PS and AH (17±2, 13.0±0.8) which are distinguishable from reductive dechlorination (8±2). CT and CF degradation by Fe(0) and Fe-bearing minerals (pyrite (Py, FeS2) and magnetite (Mag, Fe3O4) in the presence of FeCl2 were carried out in laboratory experiments at pH 7 and 12 simulating groundwater in the saturated zone and in alkaline interception trenches in the unsaturated zone of Òdena site, respectively. CF hydrogenolysis to dichloromethane (DCM) by milli-sized Fe(0) was characterized at both pHs, whereas CF degradation by Fe- bearing minerals was only identified at pH 12. In this case, AH was hypothesized since no VOCs by-products were detected except for DCM only with Py, evidencing CF hydrogenolysis. CT degradation by both Fe(0) and Fe-bearing minerals was confirmed at pH 12, whereas at pH 7, CT degradation was only obtained by nano-sized Fe(0) and Py. pH did not affect Λ values of CT and CF degradation by Fe(0) nor CT degradation by Py. CT thiolytic reduction to carbon disulphide (CS2) occurred in parallel to CT hydrogenolysis in experiments with Py at both pH values, showing different Λ values to net CT hydrogenolysis by Fe(0), but similar Λ values to CT reduction by Mag at pH 12. These differences provide good chances to detect these pathways in the field. Additionally, CT and CF microcosm experiments were performed separately for each compound by using slurry from one of the most polluted wells in Òdena site (S3). Biotically- mediated CT hydrogenolysis was confirmed in the microscoms. Biostimulation with vitamin B12 catalyzed CT biodegradation and stimulates CF biodegradation, the latter not observed without B12. For both target compounds, no relevant accumulation of other chlorinated compounds neither CS2 was detected with B12. CT experiments with B12 might be linked to a major activity of Pseudomonas stutzeri able to reduce CT to CO2. Acidovorax, Ancylobacter and Pseudomonas were the most metabolically active genera observed in the experiments, whereas commonly found organo-halide respiring bacteria, Dehalobacter and Desulfitobacterium, were below 0.1% of relative abundance. The Λ of CF biodegradation by B12 (7±1) was similar to that reported for CF reductive dechlorination by Fe(0) (hydrogenolysis plus reductive elimination) (8±2). Λ of CT biodegradation without B12 showed no difference to CT hydrogenolysis by Fe(0) which indicates

the same pathway. Furthermore, Λ of CT degradation was statistically different despite their 95% of confidence interval (CI) with and without B12 (5±1 vs. 6.1±0.5, respectively), indicating possible influence of other reduction processes different from CT hydrogenolysis. δ13C enrichment of CEs, once CMs were completely degraded by B12-catalyzed biotic reactions, confirmed CMs inhibition of CEs degradation. The obtained laboratory data improved the knowledge on CMs degradation processes and established the basis applicable in multi-contaminant polluted sites like Òdena. A long-term monitoring to study 2005 source’s removal effects on groundwater CMs has been performed from 2002 to 2014. Through by-products and C-CSIA monitoring, CMs transformation processes over time have been confirmed. The source’s removal was inefficient since active CMs leaching was proved in the outskirts of the dismantled wastewater pipe and in the wastewater tank. Nevertheless, by-products and Λ studies disclosed CT and CF reduction processes precisely in those areas. In contrast, in former disposal pit source, where removal was more efficient, isotopic values unveiled a migration of the focus downstream as well as an influence of hydrolysed CF coming from the alkaline trench and/or CF oxidation processes in the saturated zone of this area. To sum up, this thesis has provided progress in Cl-CSIA methodology for CMs and new compelling C and Cl-isotope laboratory data related with CT and CF degradation processes. These data combined with other microbial and geochemical tools have allowed the discrimination of CMs degradation processes at field scale and are promising for monitoring the efficiency of remediation strategies in other polluted sites. The routine use of Cl-CSIA analyses are worthwhile for further research together with well-stablished C-CSIA. Moreover, the up-scale application and evaluation of studied CMs remediation techniques such as biostimulation by economical B12 sources in combination or not with Fe(0) or Fe-bearing minerals (which implies mining wastes revalorization) are challenges ahead.

El tetracloruro de carbono (CT) y el cloroformo (CF) son compuestos orgánicos que pertenecen al grupo de los metanos clorados (CMs) los cuales han sido vertidos descontroladamente al medio ambiente durante décadas debido a la escasa gestión y tratamiento de residuos. Puesto que son disolventes más densos que el agua, una vez vertidos, estos contaminantes migran en profundidad hasta las aguas subterráneas creando frecuentes fuentes de contaminación ambiental que, por su persistencia, constituyen un riesgo para la salud pública. Por lo tanto, este tipo de contaminación requiere de un seguimiento exhaustivo, así como de hallar tratamientos específicos debido a que el CT y el CF son consideradas substancias tóxicas y carcinogénicas (IARC, 2017). Aunque el CT y el CF son persistentes en acuíferos, estos compuestos experimentan atenuación natural tanto biótica como abiótica. Los CMs se degradan principalmente a través de mecanismos de reducción bajo condiciones anóxicas, aunque la oxidación microbiana del CF por cometabolismo también es un proceso de degradación potencial (Cappelletti et al., 2012; Penny et al., 2010). Por consiguiente, se esperan procesos de transformación de los CMs en emplazamientos contaminados. El enclave contaminado de Òdena (Barcelona) se encuentra afectado tanto por CMs como por otros compuestos orgánicos volátiles (VOCs, por sus siglas en inglés) debido a actividad industrial en los años 70 y 80. La degradación de etenos clorados (CEs por sus siglas en inglés) en este acuífero fracturado fue detectada ya que se observó un enriquecimiento isotópico del carbono (δ13C) a lo largo del tiempo (Palau et al., 2014b). La presencia de hidrólisis alcalina (AH, por sus siglas en inglés) del CF fue también revelada mediante el seguimiento de la δ13C del CF en las rasas de intercepción de agua de lluvia creadas con residuos de la construcción (pH~12) en la zona no saturada, una vez que se extrajeron las fuentes de contaminación en 2005. Sin embargo, aún se desconoce el motivo del enriquecimiento de la δ13C del CT a lo largo del tiempo en estas rasas (Torrentó et al., 2014). Para mejorar las limitaciones de los potenciales procesos de atenuación natural de los CMs y hacerlos más eficientes, se pueden usar diferentes técnicas de remediación inducida. La bioestimulación y el uso barreras reactivas permeables de Fe(0) o construidas con otros agentes reductores son de creciente interés. La oxidación química in situ (ISCO) y la AH son técnicas de remediación abiótica pertinentes únicamente para el CF, debido al alto estado de oxidación del carbono en el CT. El análisis isotópico de compuesto específico (CSIA por sus siglas en inglés) es una herramienta muy útil para evaluar la eficiencia tanto de la atenuación natural de los CMs como la de las estrategias de remediación aplicadas en emplazamientos contaminados. El método de CSIA no solo verifica, mediante el seguimiento de la composición isotópica a lo largo del tiempo, que la disminución de la concentración de los CMs sea debida a procesos reactivos (vs. otros no destructivos, como por ejemplo la dispersión o la dilución), sino que también permite la cuantificación del alcance de la degradación del contaminante. Asimismo, los

gráficos binarios de isótopos, en los que los cambios isotópicos de un elemento se grafican respecto al de un segundo elemento de la molécula estudiada, permiten la discriminación entre diferentes vías de degradación de los CMs, a través de la obtención de pendientes específicas de cada mecanismo (Λ). Para aplicar el CSIA con tales fines, deben realizarse previamente experimentos de laboratorio bajo condiciones controladas para estudiar las reacciones de degradación de los CMs. De este modo es posible evaluar de forma fiable los cambios isotópicos esperados en el campo y, por lo tanto, conocer si se puede detectar de forma cuantitativa la degradación, así como también, estudiar la viabilidad de los potenciales tratamientos. El CSIA del carbono (C-CSIA) está ampliamente consolidado para el análisis de VOCs. El CSIA del Cl (Cl-CSIA) ha sido extensamente usado en los últimos años para los CEs y los etanos clorados. Sin embargo, el Cl-CSIA solamente ha sido aplicado en algún experimento para el CF y no ha sido utilizado previamente para el CT. Por consiguiente, el método de Cl-CSIA no había sido evaluado ni validado pormenorizadamente para ningún CMs antes de la presente tesis. Los principales objetivos de esta tesis son la adquisición de un mejor conocimiento de los procesos de atenuación natural de los CMs a través de experimentos de laboratorio, así como también de las potenciales estrategias de remediación de éstos, con el fin de aplicar dichos avances en emplazamientos tales como el de Òdena. El C-CSIA y el Cl-CSIA han sido las herramientas de seguimiento principales de los estudios realizados, aunque se han utilizado otras técnicas geoquímicas y microbiólogas dando un carácter pluridisciplinar a la tesis. Previamente al uso del método de Cl-CSIA en los CMs de las muestras de laboratorio y campo, se ha desarrollado y validado el método para el CT y CF con un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de relación isotópica (GC-IRMS) y con un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas cuadrupolo (GC-qMS, siendo la metodología para este último comparada en un interlaboratorio). Este desarrollo se ha llevado a cabo en colaboración con grupos de investigación internacionales (Helmholtz Zentrum Müenchen y Université de Neuchâtel) durante las tres estancias del doctorado. Han sido estudiados tres mecanismos diferentes de transformación abiótica del CF en experimentos batch: oxidación por persulfato activado térmicamente (abreviado como PS); AH y decloración reductiva del CF con Fe(0). Se han obtenido valores similares de Λ del CF para PS y AH (17±2 y 13.0±0.8, respectivamente) que se pueden distinguir de la decloración reductiva (8±2). Se han realizado experimentos de degradación de CT y CF con Fe(0) y minerales de hierro (pirita (Py, FeS2) y magnetita (Mag, Fe3O4)), estos últimos con la presencia de FeCl2 a pH 7 y pH 12, simulando el agua subterránea de la zona saturada y la de las rasas de intercepción alcalinas de la zona no saturada de Òdena, respectivamente. Se detectó hidrogenólisis del CF a diclorometano (DCM) mediante Fe(0) de tamaño milimétrico para ambos valores de pH, mientras que la degradación del CF por minerales de hierro solo fue identificada a pH 12. En este último caso, se hipotetiza la existencia de AH ya que no se

detectan VOCs como productos, salvo cierta acumulación de DCM con Py, lo que evidenciaría hidrogenólisis solo en el experimento con Py. La degradación del CT, mediante Fe(0) o minerales de hierro, ha sido confirmada a pH 12. Sin embargo, a pH 7 la degradación del CT solo ha sido confirmada con Fe(0) nanométrico y Py. Se ha observado la existenia paralela de reducción tiolítica del CT a CS2 e hidrogenólisis del CT a CF en ambos valores de pH, dando lugar ambos procesos a un valor de Λ diferente al obtenido para la hidrogenólisis neta del CT con Fe(0) y similar al de la reducción del CT con Mag a pH 12. De esta manera, se evidencia el potencial para detectar y diferenciar estos procesos en el campo mediante gráficos binarios de isótopos C-Cl. Así mismo, se deduce que el pH no afecta al valor de Λ de la degradación del CT ni del CF mediada por el Fe(0), ni a la degradación del CT por acción de la Py o del Fe(0). Adicionalmente, se han realizado experimentos de microcosmos con CT y CF, separadamente, con lodo del fondo de uno de los pozos más contaminados de Òdena (S3). Se ha confirmado una biodegradación natural de CT siguiendo la vía de hidrogenólisis a CF. La bioestimulación con vitamina B12 ha catalizado la degradación de CT y estimulado la biodegradación del CF, siendo la última inexistente sin la presencia de B12. Para ambos compuestos, no se detecta una acumulación de compuestos clorados ni de CS2 en los tratamientos con B12. La ausencia de acumulación de CF con la adicción de B12 durante la degradación de CT puede estar relacionada con una mayor actividad de la especie Pseudomonas stutzeri detectada más activa en esos tratamientos y capaz de reducir el CT a CO2. Los géneros más metabólicamente activos en los tratamientos del microcosmos son Acidovorax, Ancylobacter and Pseudomonas son, mientras que bacterias ampliamente conocidas como decloradoras (como Dehalobacter y Desulfitobacterium), se encuentran por debajo de un 0.1% de abundancia relativa. El valor de Λ para la biodegradación del CF (solo detectada con la adicción de B12, 7±1) es similar al registrado para la decloración reductiva del CF con Fe(0) (8±2), el cual incluye hidrogenólisis y eliminación reductiva. El valor de Λ de la biodegradación del CT sin la vitamina B12 y el de la hidrogenólisis neta del CT por Fe(0) no muestran diferencia estadística, lo cual confirma la misma vía para ambos experimentos. También cabe destacar que los valores de Λ de la degradación del CT con y sin B12 son estadísticamente diferentes (5±1 vs. 6.1±0.5), respectivamente, a pesar de su similitud a juzgar por su intervalo de confianza del 95%. Este hecho indicaría una posible influencia de otros procesos de reducción del CT diferentes a la hidrogenólisis cuando la vitamina B12 está presente. Por último, añadir que este estudio de microcosmos revela un enriquecimiento en 13C de los CEs, una vez los CMs son totalmente degradados mediante reacciones bióticas catalizadas por la B12, lo cual confirma la inhibición que ejercen los CMs en la degradación de los CEs. Considerando todo lo anteriormente mencionado, el conjunto de datos obtenido en los experimentos sienta las bases para un mejor conocimiento de la atenuación natural e inducida de los CMs aplicable a nivel práctico en acuíferos contaminados por múltiples contaminantes como el citado de Òdena. De esta forma, ha sido llevado a cabo un estudio a largo plazo (del 2002 al 2014) del efecto de la remoción de las fuentes de contaminación de CMs en 2005 en las aguas subterráneas del emplazamiento monitorizado de Òdena. A través del seguimiento de la concentración de los CMs y sus productos de degradación, así como del C-CSIA de los CMs, se han sido confirmado procesos de transformación de estos contaminantes a lo largo del tiempo. La remoción de las fuentes de contaminación se considera ineficiente dado que se han detectado procesos de lixiviado de CMs tanto en la zona no saturada alrededor del conducto de transporte de aguas residuales que fue desmantelado, como también entorno al tanque de almacenamiento subterráneo. No obstante, los productos de degradación y el estudio de los valores de Λ han evidenciado procesos de reducción del CT y del CF en ambas áreas. Por otro lado, en la zona donde se realizaron vertidos al aire libre sí se ha detectado una remoción eficiente de la fuente de contaminación y los valores isotópicos han revelado una migración del foco aguas abajo, así como también, cierta influencia de CF afectado por AH en las zanjas de intercepción y/o por procesos de oxidación del CF en la zona saturada de esta área. Para concluir, subrayar que esta tesis proporciona avances en la metodología de Cl- CSIA de los CMs, así como nuevos datos isotópicos de carbono y cloro para caracterizar procesos de degradación del CT y del CF. Estos datos combinados con otras técnicas geoquímicas y microbiológicas permiten discriminar y evaluar de forma pluridisciplinar procesos de atenuación natural en emplazamientos contaminados, así como realizar un asesoramiento y seguimiento de la eficiencia de las potenciales técnicas de remediación de CMs aquí descritas por parte de consultorías ambientales y administraciones. El uso rutinario del método de Cl- CSIA en los CMs es prometedor para futuras investigaciones y proyectos de remediación, paralelamente al ya consolidado C-CSIA. La implementación y evaluación de las técnicas de remediación de CMs a escala de campo, como la bioestimulación a través de fuentes económicas de B12, en combinación o no con el uso de Fe(0) o minerales de hierro a través de la puesta en valor de residuos mineros, son desafíos a corto plazo.