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  • 1. Capítulo 5 Conclusiones y perspectivas futuras Los procesos biológicos para la recuperación de sitios contaminados por organo-clorados se basan en la inyección en el subsuelo de diferentes sustratos orgánicos (por ejemplo, ácidos grasos volátiles). En el acuífero, tales sustratos se fermentan la creación y la liberación de H 2 en condiciones reductoras, el donante de electrones real que se necesita para mantener la actividad de las bacterias decloranti y obtener la eliminación de contaminantes clorados. Esta estrategia de remediación presenta algunos factores críticos, que pueden limitar su uso y dar lugar a una pérdida significativa en la eficiencia global de la remediación. En particular, para disminuir los costes del sustrato orgánico, para mejorar la distribución de los sustratos en el acuífero y para minimizar la acumulación de productos secundarios de la fermentación (por ejemplo, acetato, propionato) que podrían causar un mayor deterioro de la calidad del agua, en el presente tesis se ha propuesto el desarrollo de un proceso innovador, basado en la posibilidad de proporcionar los electrones necesarios para apoyar la actividad de biodegradación de microorganismos decloranti través de un electrodo sólido polarizado. En la literatura existen numerosos ejemplos de microorganismos capaces de interactuar con la superficie de un electrodo polarizado, usado tanto como un aceptor de electrones para oxidar materia orgánica y producir la misma energía (células de combustible microbianas, MFC), tanto como donador
  • 2. de electrones para la producción de hidrógeno (células de electrólisis microbiana, MEC). En el presente trabajo se ha investigado la posibilidad de estimular el metabolismo de las bacterias deshalogenante para la descloración reductora de TCE, a través de un mecanismo de transferencia de electrones extracelular entre el electrodo y las bacterias, ya sea directo o indirecto, respectivamente, en la presencia y en la ausencia de mediadores redox. En cuanto a la transferencia de carga indirecta, de ensayos por lotes se llevaron a cabo a potencial controlado (-450 mV frente a SHE) en presencia de metil viológeno como mediador redox empleó disolvió en solución (500 M), utilizando dos cultivos microbianos, una rica en Desulfitobacterium spp., y rica en Dehalococcoides spp. La evidencia de la deshalogenación reductora de TCE y cis-DCE, han demostrado que el proceso de decloración sólo se produjo con la presencia simultánea de polarización catódica, el mediador redox y cultivo microbiano. La concentración de viológeno de metilo en solución fue un factor muy importante con respecto al rendimiento global del proceso. El aumento de la concentración de mediador en la solución está asistiendo a un aumento lineal en la tasa de decloración reductiva de clorado contaminada. Sin embargo, altas concentraciones de viológeno de metilo (> 1000 M), la deshalogenación reductiva no fue el único presente el metabolismo, ya que se registra simultáneamente la formación intensa de hidrógeno biocatalítica, en ausencia de sobretensión que el potencial termodinámico de la pareja 2H + / H 2 (-444 mV frente a SHE, pH = 7,5). La producción de hidrógeno se cargó en la misma población microbiana responsable del proceso de decloración reductora de TCE: cuando los electrones proporcionadas por el MV se redujeron en exceso de la utilización de la capacidad por las enzimas responsables de la descloración reductora de TCE, los electrones eran desviado a un aceptor de electrones alternativa, la forma H +. Esta evidencia experimental ha revelado, por primera vez, la capacidad de los cultivos microbianos decloranti para producir hidrógeno en los sistemas de bio-electroquímico, que, por tanto, podrían ser utilizados en el futuro en las células de electrólisis microbianas. En el proceso de deshalogenación reductiva de bio-asistida eléctricamente la formación de H 2 es no sólo una reacción secundaria que podría reducir la eficiencia global del proceso, pero también podría tener otros efectos negativos, tales como secundario no deseado va a estimular el metabolismo, compitiendo con el proceso en cuestión (por ejemplo, la reducción de sulfato). Para superar este problema se debe operar con bajas concentraciones de mediador redox. Siguiendo esta línea de experimentos se llevaron a cabo por lotes de descloración reductora de TCE y cis-DCE, inmovilizada físicamente en la superficie del electrodo en una película de Nafion ®, una pequeña cantidad de viológeno de metilo. Como era de esperar esta fue la única degradación metabólica de cloro contaminada. El proceso con el viológeno de metilo inmovilizada era por lo tanto más selectiva y eficiente, como los electrones proporcionadas por la corriente se utilizan sólo para apoyar la actividad de degradación de bacterias decloranti.
  • 3. Sin embargo, el cambio del modo de uso del mediador redox en el sistema se obtuvieron por descloración reductora de velocidades bajas, inferiores a los obtenidos con viológeno de metilo disuelto en el líquido a granel. Sobre la base de los datos obtenidos revelan la posibilidad de que una combinación de alta velocidad de degradación y de alto rendimiento de la corriente se puede lograr mediante el anclaje del mediador a la superficie del electrodo y utilizando electrodos con el desarrollo de alta superficie. El proceso ilustrado se puede usar para el desarrollo de un biosensor para la identificación de DNAPL y fuentes de contaminación. Tal sistema sería implicar el uso de un electrodo modificado en el que se hizo crecer una célula de biopelículas, donde los microorganismos se inmovilizan en una posición de ser afectados por la presencia de contaminantes que generan de manera efectiva una respuesta eléctrica evidente. Como alternativa también se puede recurrir a la "inmovilización de enzimas que intervienen en el proceso biológico, en lugar de los microorganismos, evitando así el problema de la estabilidad de la actividad celular. En vista de una posible aplicación de la decloración reductiva de bio-asistida eléctricamente como tecnología de remediación eficiente, es necesario que la transferencia de carga entre el electrodo y las bacterias decloranti suceder directamente, sin la ayuda de mediadores redox. Para que los microorganismos pueden 'comunicar' directamente con el electrodo, es necesario que su superficie está colonizada por bacterias decloranti, formando una verdadera electroactivo biopelícula. Para este propósito, después de haber contribuido al crecimiento de un biofilm sobre la superficie de un electrodo de decloración de papel de carbono, se realizaron ensayos de lotes de descloración reductora de TCE mediante la aplicación de un potencial de -450 mV (frente a SHE), bajo agitación magnética. Estas pruebas han demostrado por primera vez la capacidad de los microorganismos decloranti utilizar un electrodo sólido polarizado como el único donante de electrones para apoyar la descloración reductora de TCE hasta la formación de compuestos no tóxicos (por ejemplo, etileno). El proceso de decloración fue catalizada por microorganismos y estimulado sólo por la corriente eléctrica que fluye a través del circuito. La velocidad de producción de H 2, resultante de la reducción biológica o electroquímica del protón, fue de aproximadamente 1000 veces más lenta que la velocidad media de decloración microbiana de TCE; esto demuestra que el hidrógeno no estaba tomando parte en el proceso como un donador de electrones. Es muy importante destacar el mecanismo por el cual las bacterias decloranti fueron capaces de tomar los electrones desde el cátodo. Una caracterización electroquímica del sistema por voltametría cíclica, ha revelado la presencia de un mediador redox solubles, no identificado, auto-producido por los propios microorganismos en respuesta a la polarización, que muy probablemente intervino como un catalizador en el proceso de transferencia de electrones extracelular. Estudios recientes han demostrado que la producción de mediadores redox intracelulares es una estrategia utilizada por diferentes microorganismos en el mecanismo de la respiración celular, cuando
  • 4. se utiliza aceptores de electrones insolubles (por ejemplo, ánodos en las células de combustible microbianas). Los resultados experimentales obtenidos parecen indicar que un enfoque similar puede ser utilizado por los microorganismos decloranti para el acceso a los electrones electrodos suministrados. Para aumentar la velocidad de decloración reductora de TCE, y para facilitar la reducción de los compuestos con menor grado de cloración (por ejemplo, cis-DCE), también se han hecho de la biopelícula ensayos por lotes, mediante la aplicación de un potencial de -550 a biocatodo mV (vs SHE), en condiciones de paz. La aplicación de un potencial más reductor se ha traducido en un aumento de la velocidad de decloración de contaminantes clorados y una colonización uniforme de la superficie del electrodo, con el desarrollo de un verdadero electroactivo biopelícula, como también lo demuestra el análisis de las características morfológicas y electroquímica el sistema. Los microorganismos decloranti inmovilizados sobre la superficie del electrodo catalizadas, de hecho, la reacción de transferencia de electrones. La transferencia de electrones entre el cátodo y los microorganismos se llevó a cabo de manera debido a dirigir, más probablemente a través de los componentes electroactivos presentes en la membrana celular externa como citocromos o pili conductora. También se estudió el proceso selectivo (sin producción de hidrógeno) y extremadamente eficiente: el 70% de los electrones suministrados por la corriente eléctrica que se utiliza para la deshalogenación reductora del TCE. A partir de los resultados de estas pruebas muestran que el valor de las condiciones potenciales y de flujo en el sistema de jugar un papel clave en el mecanismo de transferencia de carga entre el electrodo y las bacterias inmovilizadas en él. La reducción de mayor potencial, en un estado de reposo, han favorecido la formación de un biofilm electroactivos, promover la transferencia directa de electrones. En experimentos caracterizados por los agentes de menor potencial de reducción, en la presencia de agitación, no se ha desarrollado un biofilm homogénea en la superficie del electrodo y la transferencia de electrones fue mediada por un electroactivos moléculas producidas por los propios microorganismos. Sin embargo, se necesitan más estudios para llegar a un entendimiento más profundo de los mecanismos que subyacen a la interacción entre las bacterias y el electrodo. Los resultados que se han alcanzado han abierto nuevas perspectivas para el desarrollo de un sistema de biorremediación eficaz basado en la distribución controlada de los electrones en el subsuelo para estimular el metabolismo de degradación. Un campo de aplicación posible se puede basar en el uso de electrodos con una alta relación superficie / volumen, en el que se puede formar biopelículas microbianas electroactivos. Para este fin se ha ejecutado, finalmente, un proceso de desarrollo, el estudio de la reacción de deshalogenación de TCE en un reactor de lecho fijo anaeróbico (con gránulos de grafito como cuerpos de relleno) alimenta de forma continua, que se aplicó un potencial de -550 mV frente (SHE). El proceso se caracteriza por una alta eficiencia de remoción del Tratado CE para todo el período del
  • 5. experimento. Más de 97% del TCE en la corriente de líquido influyente (carga orgánica de TCE 44  mol L -1 d -1, que corresponde a 5,4  mg L -1 d -1), se eliminó completamente con un tiempo de residencia hidráulico de 1,4 días . El aumento de la proporción entre la superficie del electrodo y el volumen de la célula ha determinado un cambio en el mecanismo de deshalogenación reductiva, en comparación con la que se encuentra en los ensayos por lotes. El producto principal de la decloración, de hecho, la CV, con bajas conversiones en etileno. El desarrollo del proceso también se ha modificado el mecanismo de transferencia de carga de electrones entre los microorganismos y el electrodo. La deshalogenación reductiva de TCE se llevó a cabo principalmente a través de la mediación del hidrógeno producido en el reactor electroquímico. El hidrógeno formado era, de hecho, fácilmente utilizado por microorganismos decloranti como un donador de electrones para el apoyo a su actividad de degradación. La producción de hidrógeno de alta, combinada con las bajas concentraciones de TCE en el reactor, también promovió la actividad intensa de la formación de metano, por microorganismos de metano presentes en el sistema. La presencia de este metabolismo secundario ha conducido a una disminución en la eficiencia de la corriente eléctrica en términos de la decloración reductiva, en comparación a la observada en la biopelícula ensayos por lotes. De hecho, el 20-25% de los electrones en el circuito se utiliza para apoyar la degradación microbiana de TCE. Esta cifra, sin embargo, es significativamente alta, si la eficiencia típicos comparación de utilización (10-15%) obtenido en reactores anaerobios alimentados con sustratos orgánicos como donadores de electrones. Para una aplicación en el futuro del proceso para el tratamiento de agua contaminada por disolventes clorados, es necesario llevar a cabo más experimentos para superar algunos de los factores críticos, que implica, en particular, la acumulación de productos tóxicos (VC) en el efluente y la presencia de reacciones secundarias. Un papel clave puede tomarse a partir del valor del potencial aplicado al sistema. La aplicación de un potencial para el cátodo más reductor (<-550 mV vs SHE) que usted podría conseguir la conversión completa de la TEC hasta compuestos no clorados, evitando de esta manera la acumulación de capital de riesgo en el efluente. Este enfoque, sin embargo, daría lugar a una alta producción de hidrógeno electroquímico y, por lo tanto, una mayor competencia para el donante de electrones entre las bacterias metanogénicas y decloranti, con una pérdida global de la eficiencia. La aplicación de un menor potencial de reducción (> -550 mV vs SHE), podría conducir a un cambio en el mecanismo de la decloración reductiva. El TEC haría ciertamente declorato predominantemente cis-DCE, con una producción baja o ausente de VC. Este enfoque implicaría, por lo tanto el cambio de la configuración global del proceso, mediante el acoplamiento del proceso de decloración reductiva de hidrocarburos con un alto grado de cloración en el cátodo, con la oxidación anódica de compuestos con
  • 6. menor grado de cloración. La salida de corriente de líquido desde la cámara de cátodo rica en cis-DCE, sería alimentar el compartimiento del ánodo del reactor, en el que se podría obtener la oxidación de compuestos en bajo grado de cloración con formación de CO 2. Los productos de reacción de oxidación de bajo clorado podrían ser limitar el apoyo de bacterias adheridas en la superficie del ánodo (bioanodo), que son capaces de oxidar los contaminantes utilizando el electrodo como aceptor de electrones. El escenario para una posible aplicación in situ de este proceso se muestra en la Figura 5.1. El sistema prevé la introducción en el subsuelo de los electrodos con el desarrollo de alta superficie, instalados en el interior de las zanjas que van a interceptar el penacho de contaminación. El cátodo, en la que hay un biofilm decloración electroactivo, proporciona los electrones para la decloración inicial de TCE, hasta la formación de compuestos no tóxicos (por ejemplo, etileno). El cis-DCE y VC se pueden producir, siguiendo el flujo natural de las aguas subterráneas, se someterá a una reacción de oxidación con la formación de CO 2 por el oxígeno formado por 'la electrólisis del agua. Figura 5.1. Representación esquemática de la aplicación in situ del proceso que implica el uso de un biocatodo para la reducción de TCE a etileno, y un ánodo, situado aguas abajo a lo largo de la dirección del agua subterránea, para la oxidación de compuestos de bajo grado de productos de cloración finalmente. Los resultados presentados en esta tesis doctoral abre una nueva frontera en relación con la estrategia de remediación de aguas subterráneas contaminadas con solventes clorados.
  • 7. Como ya se ha mencionado que es necesario realizar estudios más detallados más lejos y para el paso de la escala del proceso de propuesta y la elección de la configuración general del sistema. En particular, pide una evaluación de la estabilidad y la solidez del proceso (por ejemplo, el envejecimiento y el rendimiento a largo plazo), un aumento de los conocimientos sobre los mecanismos básicos de la transferencia extracelular de electrones en oxidación o reducción de las condiciones y una evaluación de la posible utilización de electrodos, también en función de otras aplicaciones de bioprocesos de eletrochimici ambiental e industrial. ...Estudio e investtigacion de Ekosophia para la Casa Consiente i Ekosmunidad... http://livreinatural.ning.com