Διερεύνηση της επίδρασης του δότη ηλεκτρονίων και της παρουσίας θειϊκών ιόντων στην αναερόβια αναγωγή αποχλωρίωση για την επιτόπου βιολογική εξυγίανση υπογείων υδροφορέων

Abstract

Οι οργανoχλωριωμένες ενώσεις έκαναν την εμφάνιση τους κατά τη δεκαετία του 1920, με επιπτώσεις τους στην ανθρώπινη υγεία να εμφανίζονται με τη σειρά τους κατά τη δεκαετία του 1960. Οι επιπτώσεις των χλωριωμένων ενώσεων προέρχονται από την εκτεταμένη βιομηχανική δραστηριότητα αλλά και την ολοένα αυξανόμενη αστικοποίηση, κάνοντας επιτακτική την ανάγκη, μια δεκαετία μετά, για προστασία αλλά και πρόληψη τόσο του ανθρώπου όσο και του φυσικού περιβάλλοντος από τις προαναφερθείσες ενώσεις. Στις μέρες μας έχουν επισήμως αναγνωριστεί ως ρύποι τόσο στα υπόγεια όσο και στα επιφανειακά ύδατα, ενώ σε μεγάλο μέρος τους έχουν επίσημα χαρακτηριστεί ως επιβλαβείς για την ανθρώπινη υγεία λόγω της ιδιαίτερης καρκινογενετικής της ιδιότητας ή άλλων προβλημάτων υγείας που προκαλούν. Οι ουσίες που μελετάμε στην παρούσα έρευνα (PCE, TCE, DCE και VC) στο σύνολο τους έχουν χαρακτηριστεί και ως «επιβλαβείς για τη δημόσια υγεία», ενώ το τριχλώροαιθυλένιο (TCE) και το βινυλοχλωρίδιο (VC) θεωρούνται καρκινογόνες ουσίες. Το TCE κατά τις περασμένες δεκαετίες χρησιμοποιήθηκε εκτεταμένα σε μία ευρεία γκάμα εφαρμογών από βιομηχανικός διαλύτης έως και αναισθητικό, ενώ η ρύπανση που προκλήθηκε από την κακή διαχείριση των αποβλήτων που παράγει είναι αποτέλεσμα της κακής χημικής κατάστασης των υπόγειων υδροφορέων πολλών περιοχών ανα τον κόσμο. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας αποτελεί η διερεύνηση ορισμένων παραμέτρων που επιδρούν είτε θετικά είτε αρνητικά στη διαδικασία της αναερόβιας αναγωγικής αποχλωρίωσης (ΑΝΑΠ). Η διαδικασία αυτή τελείται υπό συνθήκες απουσίας οξυγόνου και ουσιαστικά τα πολυχλωριωμένα αιθυλένια σε κάθε στάδιο της αντικαθιστούν ένα άτομο χλωρίου από την αλυσίδα τους, προσλαμβάνοντας στη θέση του ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο (Η+). Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της επίδοσης της αναερόβιας αναγωγικής αποχλωρίωσης τριχλωροαιθυλενίου σε αιθένιο υπόανταγωνιστικές συνθήκες. Στη συνέχεια θα εξεταστεί η παρεμπόδιση που προκαλείται στις αντιδράσεις αποχλωρίωσης λόγω της χρήσης του δότη ηλεκτρονίων από τα θειικοαναγωγικά βακτήρια και τόσο για τις διαφορετικές συγκεντρώσεις θειικών ιόντων (αποδεκτών ηλεκτρονίων), όσο και από τους μεθανογόνους μικροοργανισμούς. Τέλος θα εξεταστεί η διερεύνηση της ποσότητας του δότη ηλεκτρονίων, αλλά και του ρυθμού εισπίεσης του στην αναγωγική αποχλωρίωση καθώς και ο έλεγχος του τύπου των μεθανογόνων μικροοργανισμών που έχουμε στις καλλιέργειες μας. Οι μητρικές καλλιέργειες που χρησιμοποιήθηκαν στο εργαστήριο για ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας ήταν οι NS1-NS2, οι LS1-LS2, οι MS1-MS2. Συγκεκριμένα οι NS1-NS2 είχαν αμελητέα συγκέντρωση θειικών, οι LS1-LS2 είχαν συγκέντρωση θειικών ίση με 150 mg/l και οι MS1-MS2 με συγκέντρωση θειικών ίση με 400 mg/l. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να τονίσουμε ότι και οι τρείς κατηγορίες καλλιεργειών διατηρήθηκαν σε διπλότυπες στο εργαστήριο. Τα πειράματα ασυνεχούς τροφοδοσίας – εντατικής παρακολούθησης (batch) είχαν σκοπό τον έλεγχο και διαπίστωση ορισμένων σημαντικών για την αναερόβια αναγωγική αποχλωρίωση παραμέτρων, τα οποία παρουσιάζονται στη συνέχεια του παρόντος κειμένου. Έτσι, εκτελέστηκαν τα παρακάτω πειράματα: -Πείραμα ελέγχου δόσης-χρόνου με διαφορετικές συγκέντρωσεις δότη ηλεκτρονίων. -Πείραμα ελέγχου προσθήκης υδρογόνου ως δότη ηλεκτρονίων την 7η ημέρα. -Πείραμα διερεύνησης μικροβιακής κοινότητας -Πείραμα αναγωγής θειικών ιόντων με διαφορετικές συγκεντρώσεις δότη ηλεκτρονίων.

Στο παρόν κείμενο γίνεται αρχικά μία βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τη σύσταση, την προέλευση και τις ιδιότητες των χλωριωμένων αιθυλενίων και συγκεκριμένα του τριχλωροαιθυλενίου (TCE), τις μεθόδους αντιρύπανσης για αυτές τις ενώσεις, τις μικροβιακές κοινότητες που είναι ικανές να επιτελέσουν την αναγωγή αλλά και τους απαραίτητους για τη διαδικασία δότες ηλεκτρονίων. Ακολούθως, σχολιάζονται οι μηχανισμοί αναχαίτισης της διεργασίας – με έμφαση στην αναχαίτιση από την παρουσία θειικοαναγωγικών μικροοργανισμών και θειικών ιόντων καθώς και τη μεθανογένεση ως ανταγωνιστικό μηχανισμό. Στη συνέχεια, παρατίθενται τα πειραματικά πρωτοκολλα που εφαρμόστηκαν κατά τις εργαστηριακές μας αναλύσεις καθώς επίσης και τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτές. Τέλος, γίνεται σχολιασμός των αποτελεσμάτων των πειραμάτων τόσο για τις μητρικές καλλιέργειες όσο και για τα πειράματα ασυνεχούς τροφοδοσίας (batch) που πραγματοποιήθηκαν και εκτιμάται ουσιαστικά η αναχαιτιστική δράση των θειικών ιόντων στη διεργασία της Αναερόβιας Βιολογικής Αποδόμησης των χλωροαιθυλενίων. Από την ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων παρατηρείται ότι σε γενικές γραμμες οι μητρικές καλλιέργειες παρουσιάζουν μεταξύ τους παρόμοια συμπεριφορά, με τις NS1-NS2 να έχουν ελαφρώς καλύτερη απόδοση (μεγαλύτερη παραγωγή ETH) ως προς την αποχλωρίωση. Η αποχλωριωτική διαδικασία σχεδόν σε όλες τις καλλιέργειες έφτασε στο στάδιο του αιθενίου αλλά όχι πλήρως, γεγονός που μπορεί να οφείλεται στο σχετικά μικρό διαθέσιμο χρόνο μεταξύ των διαδοχικών τροφοδοσιών (7 ημέρες) και τη μη-επάρκεια του δότη ηλεκτρονίων. Επίσης, με τη μείωση της δραστηριότητας των μεθανογόνων, υπάρχει αύξηση της συγκέντρωσης του οξικού οξέως και αντίστροφα. Μία ακόμα παρατήρηση που έγινε είναι ότι στην περίπτωση καλλιέργειας με παρουσία θειικών, η μεθανογένεση είναι σχεδόν ανύπαρκτη, καθώς οι θειικοαναγωγικοί (SRB) μικροοργανισμοί προσλαμβάνουν αντί για τους μεθανογόνους το δότη ηλεκτρονίων με αποτέλεσμα να δημιουργείται περιοριστικός παράγοντας καθώς οι τελευταίοι απαιτούν μεγάλες ποσότητες εύκολα προσλήψιμου δότη για τη δραστηριότητα τους. Όσον αφορά τα batch πειράματα εκτιμάται ότι η υπερβολική αύξηση του δότη μειώνει την αποχλωρίωση ενώ επιδρά αρνητικά και στη μεθανογένεση χωρις ωστόσο να φαίνεται να επηρρεάζει τη θειικοαναγωγή. Αρνητική επίδραση στην παραπάνω διαδικασία έχουν και τα θειικά ιόντα καθώς μειώνουν τόσο την αποχλωρίωση των χλωροαιθυλενίων όσο και τη μεθανογένεση που πραγματοποιείται σε αμελητέες ποσότητες. Επιπλέον, από τα πειράματα ρυθμού εισπίεσης δότη ηλεκτρονίων παρατηρούμε ότι με την προσθήκη του υδρογόνου η ΑΝΑΠ επηρεάζεται άμεσα και θετικά καθώς το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως δότης. Έτσι, έχουμε συγκριτική υπεροχή των καλλιεργειών χωρίς θειικά τόσο για την ΑΝΑΠ όσο και την μεθανογένεση. Τέλος, ενδιαφέρον παρουσιάζει το συμπέρασμα που προέκυψε τόσο από τις μητρικές καλλιέργειες όσο και από τα πειράματα ασυνεχούς τροφοδοσίας (batch), ότι η ποσότητα των θειικών που καταναλώνεται είναι περίπου η ίδια σε κάθε περίπτωση ανεξαρτήτως της ποσότητας που προσθέτουμε.

Trichloroethylene (TCE) is an organic compound classified as carcinogenic substance, that has been widely used in many industrial and commercial applications over the last decades. Due to its improper storage and/or disposal it is a very common groundwater pollutant in industrialized sites all over the world. Until the 1960’s the effects of chlorinated ethenes on human health haven’t been explored but around 1970’s rules and laws confronting the prevention and reduce of pollution have been published. Some years later, around 1985 a new fulfilling remediation technique has been proposed. It was called microbial anaerobic reductive dechlorination and is an important mechanism of in situ remediation of groundwater contaminated with chlorinated ethenes, since it can transform TCE to ethene by gradually disengaging the chlorine atoms. However, in some cases the whole process can become dangerous, as incomplete TCE reduction is a problem due to the accumulation of its toxic intermediates of cis-dichloroethylene (cDCE) and vinyl chloride (VC). This accumulation may be caused by interdependent factors, such as the suitability and the quantity of electron donor, the composition of the microbial community and groundwater’s sulfate concentration – as sulfate use dechlorinations’s electron donor to be depleted. In most field applications the addition of electron donors to the subsurface (biostimulation) is needed and it significantly can enhance reductive dechlorination efficiency, by stimulating the native dechlorinating population. According to international research results it is noted that in every case, the final electron donor for the anaerobic dechlorination of chlorinated ethenes is hydrogen and the usage of electron donors that produce small and steady hydrogen quantities, such as butyrate or propionate, provide an advantage to dechlorinating bacteria over methanogens and homoacetogens. This thesis is an experimental study on the effects of sulphate reduction and methanogenesis on the reductive dechlorination of trichloroethylene. Experiments are consisted by two types of cultures; maternal cultures and batch experiments. Batch experiments were made in order to determine the proper electron donor quantity for cases with and without sulfate to determine their inhibitory effect and also, in order to examine a trend that was observed and confirm the hypothesis that our systems included acetotrofic methanogens a batch experiment was established. Furthermore, a Butyrate-H2 fed batch experiment was prepared to evaluate the use of mixed donor in our cultures. All cultures were maintained in duplicate in the laboratory, under darkened conditions and constant temperature 25 °C and were divided in three different categories: NS cultures (NS1-NS2), wherein the concentration of sulfate ion was negligible, cultures LS (LS1-LS2) with sulphate concentration equal to 150 mg/l and the cultures end (MS1-MS2) with a concentration of sulfate 400 mg/l. The purpose of these cultures was for: a) the manufacture of mixed crop dechlorination of chlorinated of ethylene in the presence of various concentrations of sulfate, b) to prepare batch (discontinuous feeding) experiments and c) laboratory investigation interceptors for the process parameters (e.g. methanogenesis). On a weekly basis, cultures were flushed with N2/CO2 (70%/30%) and were enriched with basal medium, vitamin solution, Σelenium-Τungsten solution, yeast extract (10% w/v) and fed with 0.5 mM TCE (65.7 mg/L) (nominal concentration, i.e. total amount added to the bottle divided by liquid volume). The cultures were kept at a solid retention time (SRT) of 48 days, at constant temperature of 25 °C, stirred in the dark. These cultures operated under limiting electron donor conditions, since they were fed with 0.3 mM butyrate (27.0 mg/L), providing 1.2 meq/L as H2 or 40% of the required reducing equivalents for complete dechlorination of 0.5 mM TCE to ethene (ETH). Under these conditions, the cultures developed contained methanogens and dechlorinating bacteria that, with sufficient electron donor, were capable of completely dechlorinating TCE to ETH. Two different generations of these cultures were used as source cultures to conduct the batch experiments presented herein. Batch studies were conducted using 160 ml serum bottles, containing 100 ml of liquid, thus resulting in a 6:10 headspace to liquid ratio. All bottles were sealed with Teflon rubbers stoppers and aluminum crimp caps and were flushed with N2/CO2 (70%/30%). Basal medium, selenium-tungsten solution and vitamin solution were added as in parent cultures. The batch experiments differed in the type, amount of the electron donor added and the time of the electron donor addition so in most cases the experimental protocols differ. All samples were measured for chlorinated ethenes removal, as well as ethene and methane production. For the measurement, a Perkin-Elmer Autosystem XL gas chromatograph equipped with a flame ionization detector (FID), a PLOT column GSGasPro (30 m, 0.32 mm diameter, J&W, Folsom, CA). Furthermore, volatile fatty acids (VFAs) were measured by gas chromatography equipped with an autosampler (Perkin-Elmer) and a fused-silica capillary column Nukol (15 m, 0.53 mm, Supelco, Inc., Bellefonte, PA) by injecting 0.5 μl pretreated liquid samples. From the analysis of experimental results we observed that the dechlorination process at almost every experiment reached ethene but was not complete, which may be due to the relatively short time available between successive feeds (7 days) and the nonsufficiency of electron donor. Furthermore with reduction in activity of methanogenic microorganisms, we have increased concentrations of acetic acid, and vice versa. Moreover we observed that in cultures with presence of sulfate, methanogenesis is almost nonexistent, as sulfate reducing (SRB) microorganisms compete with the methanogenics for the electron donor and thus a limiting factor problem occurs. Regarding batch experiments it is assessed that excessive donor reduces dechlorination while adversely and methanogenesis but seem to affect sulfate reduction. Negative influence on the above process have definitely the sulfate ions as they reduce the dechlorination of chloroethylene and methanogenesis is performed in negligible quantities. Moreover, from experiments where we had direct addition of hydrogen simultaneously with Butyrate, dechlorination affected directly and positively. Finally, an important observation is that in cultures containing sulfates – no matter the amount of sulphate added, the consumption of sulfate by the SRB is approximately the same.