Biodegradacin de Contaminacin Orgnica Peligrosa: Introduccin

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Biodegradación de Contaminación Orgánica
Peligrosa Introducción
Jim Field, Universidad de Arizona, Dpto
Ingeniería Química y Medioambiental
http//superfund.pharmacy.arizona.edu/outreach.htm
l
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Definiciones de Biodegradación
Biodegradación transformación catalizada
biológicamente de una compuesta a formas mas
simple
Mineralización transformación biológica de un
compuesto orgánico a formas minerales
p.e. clorofenol a HCl y CO2
Típicamente un compuesto utilizado como el
sustrato primario es mineralizado
Biotransformación Transformación de contaminante
por un proceso biológico
Conversión de trinitrotolueno a triamonotoluene
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Esquema General de Biodegradación
Contaminante como Sustrato de Crecimiento
(primario) Sustrato que sirve como fuente
primario de carbón y energía
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Definiciones de Biodegradación
Cosustrato, Cometabolismo transformación
microbiana de un compuesto que no sirve como
fuente primario de carbón i energía
p.e. cooxidación de cloruro de vinyl con
monooxigenase de metano MMO
Otro compuesto sirve como sustrato primario (p.e.
metano)
Aceptor de Electrones Compuesto que recibe los
electrones de la oxidación del sustrato primario
Aceptor de electrones comunes
O2, NO3-, Fe3, SO42-, CO2
O2 ? H2O NO3- ? N2 Fe3 ? Fe2 SO42- ? H2S
CO2 ? CH4
Aceptor de electrones se reduce en los reacciones
biológicas
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Definiciones de Biodegradación
Donador de Electrones El compuesto que dona
electrones (compuesto que se oxida)
Donador de Electrones se oxida
CH3(CH2)nCH3 ? CO2
Típicamente un compuesto orgánico
Ejemplo de reacción de bioremediación
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Terminologia Aceptores de Electrones
Respiración aceptor de electrones tiene origen
fuera de célula
Respiración Aeróbica Reacción biológica que
utiliza oxígeno como aceptor de electrones
Respiración Anaeróbica Microorganismos que
utilizan otra aceptor de electrones en lugar de
oxígeno
p.e. nitrato, sulfato, CO2 (anóxico u anaerobia)
Fermentación El sustrato sirve como donador i
aceptor de electrones (aceptor de electrones es
internal)
Primero hay una oxidación parcial a un intermedio
oxidado
Despues hay una reducción del intermedio oxidado
para regenerar los cofactores portadores de
electrones
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Esquema General de Fermentación y Respiración
Fermentación
Respiración
Compuesto organico
glucosa
flujo de carbón
Compuesto orgánico
flujo de carbón
flujo de electrones
CO2
flujo de electrones
Compuesto orgánico parcialmente oxidado
portador de electrones
piruvato
NADH
O2
H2O
Compuesto organico reducido
etanol
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Terminologia Desclorinación
Desclorinación Reductiva Una reacción biológica
en que un grupo cloro se reemplaza con un grupo
de hidrógeno
La reacción involucra una transferencia de 2
electrones
R-Cl 2e- 2H ? R-H HCl
Halorespiración Una reacción biológica en que un
hidrocarburo clorinado es utilizado como aceptor
de electrones (respiración anaerobia) para apoyar
el crecimiento microbiano
Donadores de electrones simples son requeridos
(p.e. H2)
E'? 0.57 V
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Esquema General de Biodegradación
Contaminante como Aceptor de Electrones Sustrato
que sirve como aceptor de electrones de
respiración apoyando crecimiento
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Torre de Electrones (Potencial de Reducción)
Aceptores de Electrones
Donadores de Electrones
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Relación ?G? con ?E?
Potencial de Reducción Estandardizado (E?) se
puede utilizar para calcular el Cambio de Energia
Libre de Gibbs Estandardizado (?G?)
?G'? -n ? f ? ?E?
?E? E? e aceptor - E? e donador
f constante faraday, 96.48 kJ/V?e- eq
n equivalentes electrones (e- eq) transferido
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Uso Preferencial de Aceptores de Electrones Según
la Energía Libre Disponible
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Esquema de Biodegradación de Xenobióticas
Primero perdida de carácter xenobiotica
Despues metabolismo tipico
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Razones por Resistencia a Biodegradación 1
Estructura Química
Reacción imposible termodinámicamente
No se forma enlace entre enzima y sustrato
(impedimento estérico )
Demasiado grande para acumulación bacteriana
Biodisponibilidad
Baja solubilidad acuosa
Adsorción a partículas del suelo
Absorción a líquidos de fase no acuosos (NAPL)
Contaminación envejecida
Toxicidad
Directo o por productos de biotransformación
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Razones por Resistencia a Biodegradación 2
Competición con Reacción Química
Polimerización oxidativa a compuestos humicos
inertes
Factor Ambiental Limitante
Concentración de sustrato (contaminante)
demasiado bajo
Limitación de nutriente, vitamina , aceptor de
electrones o cosustrato
Extremo en temperatura, humedad o pH
Microorganismo o Enzima
Biocatalizador no existe
No enriquecimiento previo de microorganismos en
el sitio
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte I Tendencias Aeróbicas
Aumento en el numero de grupos atractores de
electrones
Tasas disminuyan con el aumento de grupos nitro
(R-NO2)
Tasas disminuyan con el aumento de grupos cloro
(R-Cl)
Tasas disminuyan con el aumento de grupos azo
(R-NN-R)
Tasas disminuyan con el aumento de grupos
sulfonato (R-SO3-)
Eliminación de Bifeniles Policlorados (PCBs) en
Lodos Activados como Función de Grado de
Cloración (Tucker et al 1975)
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte I Tendencias Aeróbicas (continuación)
Posición de grupo sustituyente
Carbón terminal (?) comparada con carbón ? o ?
degradación despacio
degradación rápido
Ramificación
Aumento en la ramificación esta asociado con
resistencia a biodegradación
Alkyl sulfonatos lineares
Alkyl sulfonatos ramificados
biodegradable
poco biodegradable
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte I Tendencias Aeróbicas (continuación)
Peso Molecular de Polímeros No Hidrolizables
Como regla general, los polímeros de 1000 a 3000
g/mol es el máximo peso molecular de acumulación
celular de bacterias
Ejemplo de plástico
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte II Tendencias Anaeróbicas
Aumento en el numero de grupos atractores de
electrones aumentan la tasa de
biotransformaciones reductivas
Tasas aumentan con el aumento de grupos nitro
(R-NO2)
Tasas aumentan con el aumento de grupos cloro
(R-Cl)
Tasas aumentan con el aumento de grupos azo
(R-NN-R)
Ejemplo Nitroaromático
Tasa de reducción de grupo nitro por extractos de
células de Vielonella alcalescens en condiciones
anaeróbicas como función del numero de grupos
nitro (McCormick et al 1976)
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte II Tendencias Anaeróbicas (continuación)
Ejemplo Disolvente Clorados
Tasa de descloración reductiva de disolventes
clorados en lodo anaerobio (Van Eekert, 1999)
cloroetanos
clorometanos
cloroetenos
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte II Tendencias Anaeróbicas (continuación)
Ejemplo Aromáticos Clorados
Revisión de Literatura (Field et al 1995)
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Tendencias Generales Estructura-Biodegradación
Parte II Tendencias Anaeróbicas (continuación)
Ausencia general de grupos sustituyentes
oxigenados
Alcanos no sustituidos son muy resistentes a la
biodegradación anaeróbica (especialmente alcanos
menor de 6 carbones)
Biodegradación anaeróbica de aromáticos en
función de grado de grupos sustituyentes
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Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
Tipos de Limitaciones en Biodisponibilidad
Compuesto hidrofóbico con baja solubilidad acuoso
Precipitado en suspensión
Compuesto de alto valor de Log P se adsorbe a
partículas del suelo o sedimento
Adsorción a partículas de suelo
Compuesto de alto valor de Log P se absorbe en
los fases líquidos no acuosos (NAPL)
Absorción por NAPL
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Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
Tasa de biodegradación controlado por la tasa de
disolución
rTA KLa(Cs Cb)
Ecuación de disolución
Donde
rTA tasa de disolución (mg L-1 s-1)
KL coeficiente de transferencia de masas (m s-1)
a superficie especifica (m2 m-3)
Cs solubilidad acuosa máxima
Cb concentración actual
Se asume que durante la biodegradación
Cs-Cb Cs
o sea que hay biodegradacion de alto afinidad
Cb se aproxima cero
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Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
Tasa de biodegradación controlado por la tasa de
disolución
rTA KLa(Cs Cb)
Cinética de disolución
concentración acuoso de contaminante
producción de CO2 de contaminante
Concentración
Tiempo
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Biodisponibilidad de Compuestos Hidrofóbicos
La Relación de la Solubilidad Acuosa de
Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAH) con
la Biodegradación de PAH después de 1.5 anos de
Bioremediación
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Toxicidad de Compuestos Hidrofóbicos
Toxicidad a Membranos
Relación de hidrofobicidad (Log P) y toxicidad
(concentración de 50 inhibición a metanogénesis
(50 IC)) (Sierra et al. 1991)
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Definiciones de Bioremediación
Bioremediación La destrucción o transformación
de contaminantes peligrosas por microorganismos a
compuestos menos peligrosos con el fin de
limpiar un sitio contaminado (u efluente)
Bioremediacion de Intervención Técnica La
biodegradación o biotransformación se estimula by
por intervención técnica
Proveer nutrientes (p.e. N) y aceptores de
electrones (p.e. O2), en algunos casos donadores
de electrones o cosustratos
Adición de surfactantes para aumentar la
biodisponibilidad
En algunos casos añadir microorganismos
(bioaugmentación) para mejorar la biodegradación
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Definiciones de Bioremediación
Bioremediación Intrínsica La biodegradación o
biotransformación de compuestos peligrosos sin
intervención técnica. La tecnologia se limita
solo al monitoreo y predicciones del procesos
naturales.
Típicamente la ocurrencia de biodegradación se
demuestra en varios formas independientes
Disminución en la concentración de contaminante
Cambio en concentraciones de aceptores de
electrones
Aumento en población microbiana responsable por
la degradación
Los procesos de bioremediación intrínsicos suelen
ser anaeróbicos
Atenuación Natural El concepto de bioremediación
expandido para incluir otros procesos naturales
además de la biodegradación (dilución, adsorción,
volatilización, reacciones químicas)
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Bioremediación de Intervención Técnica comparada
con Bioremediación Intrínsica
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Interrelación de Componentes que Determina el
Éxito de Bioremediación
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Tipos de Bioremediación
In Situ El tratamiento de agua subterráneo o
suelo sin excavar. Típicamente se trata de la
inyección de nutrientes i aceptores de electrones
en pozos de infiltracion combinadoscon pozos de
extracción para controlar la zona hidráulica
Bioventilacion Una forma de in situ
bioremediación pero se inyecta i extrae aire en
lugar de agua. Aplicado a zonas vadosas.
Pila Biológica El tratamiento de suelos en pilas
con suministro activa de aire, humedad y
nutrientes. Típicamente se añade material porosa
ligera para facilitar la aeracion.
Barreras Biológica Una trinchera para
interceptar una pluma contaminada y tartarlo. La
trinchera se rellena con materiales que estimula
actividad biológica.
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In Situ Bioremediación
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Bioventalición
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Pila Biológica
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Barrera Biológica