Assessing the feasibility of bioremediation strategies in aquifers polluted by chlorinated solvents

Abstract

La bioremediació és una tecnologia sostenible que ha emergit en les últimes dècades com a alternativa rendible per a la descontaminació d’aqüífers amb dissolvents clorats, en comparació amb les tècniques fisicoquímiques més convencionals. Aquest tractament biològic de la contaminació utilitza el metabolisme dels bacteris per degradar els contaminants i detoxificar les aigües subterrànies. Però, tot i que aquests mecanismes s’han investigat àmpliament, l’exitosa implementació al camp és encara limitada. Per aquest motiu, aquesta tesi ha tingut com a objectiu aprofundir el coneixement sobre els processos de biodegradació anaeròbia de dissolvents clorats in-situ, per tal de millorar futures estratègies de bioremediació aplicades a emplaçaments contaminats. Per fer-ho, s’han investigat tres llocs diferents, contaminats per famílies de dissolvents clorats diferents i que representen escenaris de complexitat creixent, a través d’un conjunt de tècniques que aporten informació sobre la viabilitat dels tractaments de bioremediació en aqüífers contaminats. Aquesta diagnosi s’ha desenvolupat mitjançant una metodologia multidisciplinària que inclou: i) anàlisi de la hidroquímica de l’aqüífer, ii) aplicació de tècniques moleculars, iii) establiment de microcosmos anòxics emulant les estratègies d'atenuació natural monitoritzada, bioestimulació i bioaugmentació, i iv) anàlisi dels isòtops estables dels compostos d’interès. Al primer emplaçament (Site 1), contaminat per tetracloroetilè (PCE), els resultats van evidenciar que la biodegradació del PCE era viable. Tot i això, l’acumulació d’intermediaris tòxics que es produïa en condicions naturals només es podia evitar amb l’addició d’estimulants que promouen aquest tipus de reaccions. Així doncs, la millor estratègia per a la decloració del PCE implicava l’ús de lactat com a estimulant. A continuació, es va dur a terme una prova pilot in-situ que va consistir en una sola injecció de lactat en un pou de seguiment. Els resultats van demostrar que la injecció d’estimulant va replicar el mateix procés observat al laboratori. Donat l’èxit de la prova pilot in-situ, es va implementar la bioremediació a escala emplaçament i, després d’un any de tractament, es va confirmar que la decloració del PCE s’estava produint sense una acumulació significativa d’intermediaris. Per acabar, dos emplaçaments complexos (Site 2 i Site 3) que estaven contaminats per cloroform (CF), diclormetà (DCM), tricloroetilè (TCE) i monoclorobenzè (MCB) van ser investigats amb l’objectiu de trobar indicis de biodegradació i detectar possibles contratemps que podrien sorgir en una futura aplicació al camp. Addicionalment, es va dur a terme la caracterització isotòpica de diversos dissolvents clorats purs, i de la reacció de fermentació del DCM per un cultiu amb Dehalobacterium, per obtenir informació valuosa que recolzi la interpretació dels resultats derivats d’emplaçaments contaminats. Al Site 2, els resultats van mostrar la degradació completa del CF, DCM i del TCE, i la acumulació del MCB. Al Site 3, però, es va observar que la degradació era lenta, ineficient i estava fortament inhibida. Donada la resistència a la degradació del MCB i la inhibició general observada, respectivament, la consecució de diferents tractaments de descontaminació sembla la millor estratègia per la detoxificació d’ambdós emplaçaments.

La biorremediación es una tecnología sostenible que ha emergido en las últimas décadas como alternativa rentable para la descontaminación de acuíferos con disolventes clorados, en comparación con las técnicas fisicoquímicas más convencionales. Este tratamiento biológico de la contaminación utiliza el metabolismo de las bacterias para degradar los contaminantes y detoxificar las aguas subterráneas. Pero, aunque estos mecanismos se han investigado ampliamente, la exitosa implementación en campo es todavía limitada. Por este motivo, esta tesis ha tenido como objetivo profundizar el conocimiento sobre los procesos de biodegradación anaerobia de disolventes clorados in-situ, para mejorar futuras estrategias de biorremediación aplicadas a emplazamientos contaminados. Para ello, se han investigado tres lugares diferentes, contaminados por familias de disolventes clorados diferentes y que representan escenarios de complejidad creciente, a través de un conjunto de técnicas que aportan información sobre la viabilidad de los tratamientos de biorremediación en acuíferos contaminados. Esta diagnosis se ha desarrollado mediante una metodología multidisciplinar que incluye: i) análisis de la hidroquímica del acuífero, ii) aplicación de técnicas moleculares, iii) establecimiento de microcosmos anóxicos emulando las estrategias de atenuación natural monitorizada, bioestimulación y bioaumentación, y iv) análisis de los isótopos estables de los compuestos de interés. En el primer emplazamiento (Site 1), contaminado por tetracloroetileno (PCE), los resultados evidenciaron que la biodegradación del PCE era viable. Sin embargo, la acumulación de intermediarios tóxicos que se producía en condiciones naturales sólo se podía evitar con la adición de estimulantes que promueven este tipo de reacciones. Así pues, la mejor estrategia para la decloración del PCE implicaba el uso de lactato como estimulante. A continuación, se llevó a cabo una prueba piloto in-situ que consistió en una sola inyección de lactato en un pozo de seguimiento. Los resultados demostraron que la inyección de estimulante replicaba el mismo proceso visto en el laboratorio. Dado el éxito de la prueba piloto in-situ, se implementó la biorremediación a escala emplazamiento y, tras un año de tratamiento, se confirmó que la decloración del PCE se estaba produciendo sin una acumulación significativa de intermediarios tóxicos. Por último, dos emplazamientos complejos (Site 2 y Site 3) que estaban contaminados por cloroformo (CF), diclorometano (DCM), tricloroetileno (TCE) y monoclorobenceno (MCB) fueron investigados con el objetivo de encontrar indicios de biodegradación y detectar posibles contratiempos que podrían surgir en una futura aplicación en campo. Adicionalmente, se llevó a cabo la caracterización isotópica de varios disolventes clorados comerciales puros, y de la reacción de fermentación del DCM para un cultivo con Dehalobacterium, para obtener información valiosa que apoye la interpretación de los resultados derivados de emplazamientos contaminados. En el Site 2, los resultados mostraron la degradación completa del CF, DCM y del TCE, y la acumulación del MCB. En el Site 3, sin embargo, se observó que la degradación era lenta, ineficiente y estaba fuertemente inhibida. Dada la resistencia a la degradación del MCB y la inhibición general observada, respectivamente, la consecución de diferentes tratamientos de descontaminación parece la mejor estrategia para la detoxificación de ambos emplazamientos.

Bioremediation is a sustainable technology that has recently emerged as a cost-effective alternative to clean up aquifers polluted by chlorinated solvents compared to the conventional physicochemical techniques. This biological approach uses the metabolism of bacteria to transform the contaminants and detoxify groundwater. However, even though a lot of research has focused on understanding such mechanisms, its successful implementation in the field is, nowadays, still limited. For this reason, this thesis aimed at deepening the knowledge on in-situ anaerobic biodegradation processes of chlorinated solvents in order to improve future bioremediation strategies applied at contaminated sites. To do so, three different sites contaminated by different families of chlorinated solvents, representing increasing complexity scenarios, were investigated with a combination of techniques that provide information on the feasibility of bioremediation treatments in polluted aquifers. This diagnosis was developed through a multidisciplinary methodology that included: i) analysis of the hydrochemistry of the aquifer; ii) application of molecular techniques; iii) establishment of anoxic microcosms emulating monitored natural attenuation, biostimulation and bioaugmentation strategies, and iv) analysis of stable isotopes of the compounds of interest. At Site 1, which was polluted by tetrachloroethene (PCE), results demonstrated that PCE biodegradation was feasible. However, the accumulation of toxic intermediates that was observed at natural conditions could only be prevented by adding stimulants that promoted these types of reactions. Hence, the best strategy for PCE dechlorination required the use of lactate as a stimulant. Afterwards, an in-situ pilot test consisting of a single injection of lactate in a monitoring well was performed. Results evidenced that the stimulant injection replicated the same process that was observed in the laboratory. Given the success of the in-situ pilot test, a full-scale bioremediation was implemented at the site and, after one year of treatment, it was confirmed that PCE dechlorination was occurring without a significant accumulation of toxic intermediates. Lastly, two complex sites (Site 2 and Site 3) that were contaminated with chloroform (CF), dichloromethane (DCM), trichloroethene (TCE) and monochlorobenzene (MCB) were investigated to find lines of evidence of biodegradation and reveal any potential setbacks that could occur in the event of a future bioremediation application in the field. Furthermore, the isotopic characterization of several commercial pure phase chlorinated compounds and, specifically, of the dichloromethane (DCM) fermentation reaction by a Dehalobacterium-containing culture, were performed to obtain valuable information to support the interpretation of data derived from polluted sites. At Site 2, results showed the complete degradation of CF, DCM and TCE, while MCB remained accumulated. At Site 3, however, it was observed that the degradation was slow, inefficient and severely inhibited. Given the recalcitrance of MCB and the general inhibition observed, respectively, a sequence of different remediation treatments seems the best approach for the detoxification of both sites.