Bioremediació d'un aqüifer contaminat per alquilbenzens. Estratègies de bioestimulació i oxidació quimica i caracterització de les comunitats microbianes implicades.

Abstract

Els alquilbenzens lineals són els precursors per a la fabricació dels alquilbenzens lineals sulfonats, un dels principals surfactants aniònics per a usos domèstics i industrials. Aquest producte és una barreja de diversos homòlegs i isòmers, composats per una part alifàtica i una part aromàtica, que presenten una molt baixa solubilitat en aigua. Els LABs s’han detectat en aigües i sediments en nombrosos estudis.

La present tesi doctoral ofereix la valoració de l’estat d’un aqüífer contaminat per LABs i l’avaluació de diverses estratègies de remediació; alhora que estudia les comunitats microbianes implicades en les diverses estratègies de bioremediació i es fa una comparació entre diverses tècniques emprades per la caracterització de les poblacions microbianes.

S’ha avaluat la biodegradabilitat dels LABs per part de consorcis degradadors obtinguts prèviament al grup de recerca, comparant-la amb la biodegradabilitat per part de la microbiota autòctona amb diverses estratègies de bioestimulació; obtenint molt bons resultats emprant la microbiota autòctona. En segon lloc, s’ha avaluat la biodegradabilitat d’aquests compostos sota diverses condicions redox, per tal de mimetitzar les condicions variables de l’emplaçament. S’ha comparat la degradació dels LABs en condicions aeròbies, desnitrificants i seqüencials aeròbies- desnitrificants per part de la població autòctona, obtenint degradacions relativament ràpides en tots els casos. Les poblacions microbianes implicades en cadascun dels casos s’han caracteritzat, tant mitjançant mètodes de fingerprinting (DGGE) com per piroseqüenciació i quantificant les poblacions i gens relacionats amb la degradació.

D’altra banda, s’ha estudiat la possibilitat d’acoblar les tecnologies d’oxidació química i bioremediació per intentar obtenir degradacions més ràpides; emprant permanganat de potassi i reacció de Fenton modificada. Els resultats obtinguts no aconsegueixen millorar la degradació obtinguda amb la bioremediació sola. S’ha avaluat també l’afectació de les poblacions microbianes per l’aplicació dels oxidants químics, tant en assajos de tipus batch com emprant columnes de sòl, un mètode més aproximat a la situació real in situ. L’avaluació de la degradació en columnes de sòl ha mostrat també la diferència entre l’ús de batch i aquestes, requerint temps d’actuació molt més llargs. Les poblacions microbianes implicades en cadascun dels casos s’han descrit mitjançant DGGE i quantificant les poblacions i gens relacionats amb la degradació.

Per últim, s’ha comparat els resultats obtinguts en la caracterització de les poblacions microbianes in situ emprant diversos mètodes, tant relacionats amb la microbiologia clàssica com tècniques moleculars. Les tècniques valorades han estat l’aïllament de microorganismes, tècniques de fingerprinting (DGGE), l’enriquiment de poblacions microbianes actives in situ (emprant les perles BioSep) seguida de DGGE i tècniques de seqüenciació massiva (piroseqüenciació). Aquesta comparació ha demostrat que els resultats obtinguts depenen fortament de la tècnica emprada, i que no existeix una tecnologia idònia per a la caracterització de les poblacions microbianes, sinó que s’ha te tenir en compte els avantatges i limitacions de cadascuna de les tècniques. L’opció recomanada és emprar diverses tecnologies combinant els resultats de cadascuna d’elles per tenir una idea global de la presència i composició de les comunitats microbianes. Mitjançant aquesta combinació de tecnologies, s’ha descrit la microbiota autòctona de l’aqüífer en condicions normals i en presència de la contaminació. A més, s’ha identificat diversos phya i gèneres relacionats amb la presència o absència dels contaminants, servint així com a indicadors de la presència de contaminants o de l’ocurrència de processos de degradació.

Linear alkyl benzenes (LABs) are used to manufacture alkyl benzene sulphonates, one of the most widely used anionic surfactants in domestic and industrial applications. An industrial site near Barcelona (Spain) whose groundwater was polluted following the rupture of an old storage tank was examined.

The purpose of the present thesis is to assess the present state of the aquifer and evaluate diverse remediation strategies. In addition, microbial populations characterization was performed, as well as a comparison between several techniques used for this characterization.

The biodegradability of LABs using a hydrocarbon-degrading consortium and using the autochthonous microbiota has been assessed using diverse biostimulation strategies; obtaining high levels of degradation by using the indigenous microbiota. Also, the ability of the autochthonous microbiota to degrade LABs under aerobic, denitrifying and sequential aerobic-denitrifying conditions was tested, obtaining promising results. In all cases, the quantification of functional genes related to alkane and aromatic biodegradation pathways was assessed.

Additionally, in order to increase the degradation rates in vitro chemical oxidation assays were performed, coupled to bio stimulation. Potassium permanganate and a modified Fenton reaction were tested. In addition the capability of subsequent natural attenuation after chemical oxidation and the changes on the product bioavailability were also assessed. The results showed that chemical oxidation did not increase the degradation compared to biostimulation. To determine the effect of the oxidant on autochthonous microbiota the microbial populations were characterized. The evaluation of biodegradation and chemical oxidation was also performed in soil columns, evaluating the affectation of microbial populations using this method, more similar to the real in situ conditions than the batch experiments.

Finally, the results obtained in the in situ microbial communities characterizations by means of diverse techniques were compared. The considered techniques were isolation, fingerprinting techniques (DGGE), enrichment of active microbial populations in situ (using BioSep beads, spiked or not with LABs) and further DGGE; and new generation sequencing tools (pyrosequencing). This comparison has shown the strong effect of the used technique in the microbial population characterization. Phyla and genera related with the presence of pollutant and the occurrence of biodegradation have been identified.