Potential application of (bio)electrochemical systems for organohalide degradation

Abstract

La presència de compostos organohalogenats contaminant les aigües subterrànies és un greu problema degut als seus efectes adversos sobre el medi natural i la salut humana. A més a més, la rellevància dels aqüífers degut a la necessitat global d’aigua dolça fa augmentar la importància de la seva descontaminació. Una solució a aquest problema pot ser la bioremediació, que utilitza enzims microbians per tal de degradar els organohalogenats a productes menys tòxics. En aquesta tesi, les tecnologies electroquímiques han sigut utilitzades per tal de degradar organohalogenats mitjançant dos aproximacions. Primerament, hem explorat l’ús dels sistemes electroquímics per tal de transformar abiòticament compostos bromats. Segonament, hem aprofitat l’hidrogen generat electroquímicament per tal d’estimular el creixement i l’activitat de bacteris respiradors d’organohalogenats (OHRB) i de transformar compostos clorats en productes no tòxics en sistemes bioelectroquímics (BES). Durant aquest treball, la reducció electroquímica abiòtica de dos contaminants bromats, dibromometà (DBM) i 1,2-dibromoetà (DBA), s’ha realitzat en un sistema de dos cambres operant amb un raspall de fibra de grafit com a càtode. La degradació completa de 500 µM d’ambdós contaminants es va aconseguir entre 1 i 7 hores d’operació en els potencials de càtode aplicats: -0.8, -1.0 i -1.2 V vs elèctrode estàndard d’hidrogen (SHE). Els principals productes de la reducció del DBM i el DBA han sigut determinats com a metà i etè respectivament. El balanç del bromur ha permès confirmar la completa dehalogenació dels dos contaminants. Seguidament, s’ha estudiat la degradació bioelectroquímica del 1,2-dicloropropà (1,2-DCP) a propè mediada per un cultiu que conté Dehalogenimonas alkenigignens en el càtode d’un BES. L’ús d’un raspall de fibra de grafit com a material d’elèctrode ha permès obtenir velocitats de degradació 5.6 vegades més elevades que les obtingudes amb un altre material com és el teixit de carboni. La PCR quantitativa ha confirmat que les còpies del gen 16S rRNA de Dehalogenimonas s’han incrementat dos ordres de magnitud fins a 10^8 copies per mL. L’aplicació d’un potencial polsat ha permès obtenir velocitats de degradació elevades i eficiències coulombiques (CEs) més altes que quan s’ha operat a un potencial continu. La degradació bioelectroquímica del cloroform (CF) s’ha estudiat en un BES de dos cambres aplicant de manera combinada les activitats de dos consorcis bacterians que contenen Dehalobacter i Dehalobacterium, capaços de reduir CF a diclorometà (DCM) i de fermentar DCM a acetat, respectivament. L’aplicació de tres potencials de càtode seqüencials (-0.6, -0.7 i -0.8 V vs SHE) ha permès incrementar la velocitat de degradació del CF alhora que s’han obtingut CEs més elevades del 60%. L’operació en BES ha permès obtenir concentracions de Dehalobacter de fins a 10^7 còpies del gen 16SrRNA per mL després d’haver incrementat quatre ordres de magnitud la seva concentració inicial. Concentracions de CF de fins a 800 µM s’han degradat exitosament sense causar una inhibició irreversible a la fermentació del DCM per part de Dehalobacterium. Finalment, la degradació del CF es va combinar amb l’oxidació de toluè en un bioreactor d’una sola cambra operat en continu. Un consorci oxidador de toluè ha establert satisfactòriament un biofilm adherit a la superfície de l’ànode (operant a +0.4 V de potencial) i ha sigut capaç de generar un flux continu d’electrons cap al càtode i produir H2, mediant la reducció del CF per part de Dehalobacter. S’han estudiat els efectes de diferents concentracions de toluè a l’influent del reactor, correlacionant-se positivament amb les velocitats de degradació per part del biofilm a l’ànode. Per altra banda, la fermentació del DCM per part de Dehalobacterium s’ha inhibit en presència de concentracions de 400 µM de toluè a l’influent, però s’ha recuperat en quant aquestes concentracions s’han reduït a 160 µM.

La presencia de compuestos organohalogenados contaminando las aguas subterráneas es un grave problema debido a sus efectos adversos sobre el medio natural y la salud humana. Además, la relevancia de los acuíferos debido a la necesidad global de agua dulce hace aumentar la importancia de su descontaminación. Una solución a este problema podría ser la biorremediación, que utiliza enzimas microbianas para degradar organohalogenados a productos menos tóxicos o inocuos. En esta tesis, las tecnologías electroquímicas han sido utilizadas para degradar organohalogenados mediante dos aproximaciones. Primeramente, hemos explorado el uso de los sistemas electroquímicos para transformar abióticamente compuestos bromados. Segundamente, hemos aprovechado el hidrógeno generado electroquímicamente para estimular el crecimiento y la actividad de bacterias respiradoras de organohalogenados (OHRB) y transformar compuestos clorados en productos no tóxicos en sistemas bioelectroquímicos (BES). Durante este trabajo, la reducción electroquímica abiótica de dos contaminantes bromados, dibromometano (DBM) y 1,2-dibromoetano (DBA), se ha realizado en un sistema compuesto por dos cámaras operando con un cepillo de fibra de grafito como cátodo. La degradación de 500 µM de ambos contaminantes se ha conseguido entre 1 y 7 horas de operación en los potenciales de cátodo aplicados: -0.8, -1.0 y -1.2 V vs electrodo estándar de hidrógeno (SHE). Los productos de la reducción del DBM y el DBA han sido determinados como metano y eteno respectivamente. El balance del bromuro ha permitido confirmar la completa debromación de ambos contaminantes. Seguidamente, se ha estudiado la degradación bioelectroquímica del 1,2-dicloropropano (1,2-DCP) a propeno por un consorcio que contiene Dehalogenimonas alkenigignens en el cátodo de un BES. El uso de un cepillo de fibra de grafito ha permitido obtener velocidades de degradación 5.6 veces más elevadas que las obtenidas trabajando con otro material como es el tejido de carbono. La PCR cuantitativa ha confirmado que las copias del gen 16SrRNA de Dehalogenimonas se han incrementado dos órdenes de magnitud hasta las 10^8 copias por mL. La aplicación de un potencial pulsado ha permitido obtener velocidades de degradación elevadas y eficiencias coulombicas (CEs) más altas que operando con un potencial continuo. La degradación bioelectroquímica del cloroformo (CF) se ha estudiado en un BES aplicando de manera combinada las actividades de dos consorcios bacterianos que contienen Dehalobacter y Dehalobacterium, capaces de reducir CF a diclorometano (DCM) y de fermentar DCM a acetato, respectivamente. La aplicación de tres potenciales de cátodo secuenciales (-0.6, -0.7 i -0.8 V vs SHE) ha permitido incrementar la velocidad de degradación del CF y obtener CEs más elevadas del 60%. La operación en BES ha permitido obtener concentraciones de Dehalobacter de hasta 10^7 copias del gen 16SrRNA por mL, incrementando en cuatro órdenes de magnitud su concentración inicial. Concentraciones de CF de hasta 800 µM se han degradado sin causar una inhibición irreversible en la fermentación del DCM por parte de Dehalobacterium. Finalmente, la degradación del CF previamente descrita se combinó con la oxidación del tolueno en un biorreactor de una sola cámara operado en continuo. Un consorcio oxidador de tolueno ha establecido un biofilm adherido a la superficie del ánodo (operando a +0.4 V de potencial) y ha sido capaz de generar un flujo continuo de electrones hacia el cátodo, produciendo H2 y mediando la reducción del CF por parte de Dehalobacter. Se han estudiado los efectos de diferentes concentraciones de tolueno en el influente del reactor, correlacionándose positivamente con las velocidades de degradación por parte del biofilm en el ánodo. Por otro lado, la fermentación del DCM por Dehalobacterium se ha visto inhibida en presencia de concentraciones de 400 µM de tolueno en el influente, pero se ha recuperado en cuanto estas concentraciones se han reducido a 160 µM.

The presence of organohalide compounds contaminating the environment, and more specifically natural groundwater sources, is of important concern due to their adverse effects on environment and human health. Moreover, the relevance of the aquifers due to the exponential increase of needs of freshwater supply highlights the importance related to their decontamination. A possible solution for their treatment is bioremediation, which uses microbial enzymes to degrade organohalide contaminants to less toxic or even innocuous by-products. In this thesis, electrochemical technologies were employed to degrade organohalides by using two approaches. First, we explored the potential of using electrochemical systems to abiotically transform brominated compounds. Secondly, we exploited the electrochemically generated hydrogen to stimulate the growth and dechlorinating activity of organohalide-respiring bacteria (OHRB) to transform chlorinated compounds into non-toxic products in bioelectrochemical systems (BES). The OHRB and other anaerobic dechlorinating bacteria used in this study were previously enriched in our research group. During this work, the abiotic electrochemical reduction of two brominated contaminants, dibromomethane (DBM) and 1,2-dibromoetane (DBA), was performed in a two-chamber system operating with a graphite fiber brush as cathode. The complete degradation of 500 µM of both contaminants was achieved between 1 and 7 hours at the three tested cathodic potentials of -0.8, -1.0 and -1.2 V vs standard hydrogen electrode (SHE). Methane and ethene were identified as the main by-products from DBM and DBA dechlorination, respectively. The bromide mass balance further confirmed the complete dehalogenation of both pollutants. Next, the bioelectrochemical degradation of 1,2-dichloropropane (1,2-DCP) to propene mediated by a Dehalogenimonas alkenigignens-containing culture was studied in the cathodic vessel of a two-chamber BES. The usage of a graphite fiber brush as electrode material delivered 5.6-fold higher degradation rates than the ones achieved working with another carbon-based material as carbon cloth. Quantitative PCR confirmed that Dehalogenimonas 16S rRNA gene copies increased by two orders of magnitude up to 10^8 16S rRNA gene copies per mL. The application of a pulsed potential operation allowed to obtain high degradation rates coupled to higher coulombic efficiencies (CEs) compared to the operation with a continuous cathodic potential. The bioelectrochemical degradation of chloroform (CF) was studied in a two-chamber BES by combining the activity of two bacterial consortia containing Dehalobacter and Dehalobacterium, capable to reduce CF to dichloromethane (DCM) and ferment DCM to acetate, respectively. The application of three sequential cathodic potentials (-0.6, -0.7 and -0.8 V vs SHE) allowed to increase the CF degradation rate and obtain CEs higher than 60% even at the lowest potential. The operation in BES allowed to obtain Dehalobacter concentrations up to 10^7 16S rRNA gene copies per mL after four orders of magnitude increase in its initial concentration. Concentration up to 800 µM of CF were successfully degraded without causing an irreversible inhibition in the DCM fermentation by Dehalobacterium. Finally, CF degradation was coupled with the oxidation of toluene in a single-chamber bioelectric well reactor operated in continuous mode. A toluene oxidizing consortium successfully stablished a biofilm in the anodic surface (poised at +0.4 V of potential) and provided a continuous supply of electrons to the cathode, which were used to produce H2 and drive the reduction of CF by Dehalobacter. The effects of different toluene concentrations in the inlet were tested, showing a positive correlation with its degradation rate by the anodic biofilm. On the other hand, the DCM fermentation by Dehalobacterium was inhibited when the concentration of toluene at the inlet was 400 µM, but it recovered its activity when toluene concentration decreased to 160 µM.