Resumen de Microbial electrochemical strategies for monitoring and remediating organic pollution in groundwater and sediments
- español
La electroquímica microbiana es una rama de la biotecnología que explora la interacción entre los microorganismos y los materiales conductores de la electricidad. Este campo ha evolucionado hasta dar lugar a una plétora de aplicaciones medioambientales, conocidas como tecnologías electroquímicas microbianas (MET, por sus siglas en inglés). Las MET pueden utilizarse para limpiar ambientes contaminados utilizando electrodos como aceptores o donadores terminales de electrones, lo que permite que el metabolismo microbiano actúe en condiciones diferentes de las condiciones naturales. Esta tecnología es muy versátil y puede aplicarse a diversas matrices, como aguas residuales, aguas subterráneas, sedimentos y suelos. Sin embargo, la implantación de las MET en aplicaciones de campo reales requiere superar desafíos microbiológicos, tecnológicos y económicos. A pesar de estos retos, las MET presentan un gran potencial como estrategia para mejorar la recuperación del medio ambiente.
En esta tesis, hemos explorado la capacidad de las MET en entornos naturales para i) detectar contaminantes de aguas subterráneas como compuestos derivados del petróleo y agroquímicos como el lindano (Capítulo 2), y ii) remediar entornos contaminados con lindano (Capítulo 3 y Capítulo 4). A través de nuestra investigación, hemos demostrado la capacidad de estas tecnologías no sólo para detectar la presencia de contaminantes, sino también para facilitar su degradación, lo que conduce a la restauración del entorno natural. Nuestros hallazgos ponen de relieve que las MET son una valiosa herramienta para la vigilancia y la recuperación del medio ambiente.
El Capítulo 1 recoge el estado del arte sobre el ámbito de estudio de la tesis: electrobiorremediación y detección bioelectroquímica de contaminantes en suelos contaminados. De hecho, proporcionamos una visión general sobre la contaminación ambiental especialmente centrada en los hidrocarburos aromáticos (BTEX) y clorados, incluyendo su impacto en el medioambiente y en la salud humana. Además, repasamos varios métodos para detectar y eliminar contaminantes del medioambiente, especialmente aquellos relevantes para nuestra investigación. En la última parte del capítulo, presentamos las MET, incluidos sus principios fundamentales y sus aplicaciones, haciendo hincapié en cómo potenciar el metabolismo microbiano de las bacterias electroactivas para detectar y remediar los entornos contaminados.
Bajo la premisa de que una de las mejores formas de prevenir la contaminación es vigilar los lugares de riesgo, hemos explorado métodos innovadores para desarrollar la detección temprana in-situ de contaminantes en aguas subterráneas. De hecho, en el Capítulo 2, utilizamos estrategias electroquímicas microbianas para detectar contaminantes, como hidrocarburos del petróleo o agroquímicos, en aguas subterráneas a escala de microcosmos y mesocosmos. El biosensor consistió en una configuración de 3 electrodos con un electrodo de trabajo polarizado a potencial anódico (0.6 V vs. Ag/AgCl) instalado en un piezómetro. Tras la colonización mediante la comunidad microbiana de aguas subterráneas no contaminadas, observamos una respuesta ( < 2 horas) a un pulso con mezcla de contaminantes (BTEX y ETBE). Además, también comprobamos la respuesta a mezclas complejas utilizando un pulso de queroseno. Alternativamente, y para detectar la presencia del insecticida lindano (gamma-hexaclorociclohexano), se recurrió a una configuración de biocátodo (- 0,6 V vs. Ag/AgCl) para monitorizar el consumo de corriente eléctrica asociado a la deshalogenación.
La electrobiorremediación es una estrategia que permite descontaminar mediante una combinación de herramientas electroquímicas y microbiología. En el Capítulo 3, diseñamos y validamos diferentes configuraciones para eliminar un insecticida muy utilizado, el lindano, de un suelo contaminado sintéticamente y de un suelo real contaminado. La configuración catódica resultó ser la más eficaz. De hecho, el electrodo actuó como donador de electrones y eliminó el lindano aproximadamente 10 veces más rápido que la atenuación natural. Además, se eliminaron diferentes isómeros de lindano utilizando diferentes configuraciones. Por último, pudimos demostrar que incluso los suelos contaminados no anegados podían ser electrobiorremediados.
Durante largos periodos de operación, se vertieron residuos de la producción de lindano en Sabiñánigo (Huesca, España) y, con el tiempo, el paisaje quedó ampliamente contaminado. En este contexto, exploramos estrategias para limpiar el suelo real contaminado mediante electrobiorremediación in-situ (Capítulo 4). Durante un periodo de 20 semanas, se probaron diferentes configuraciones de electrobiorremediación. Los resultados revelaron que la configuración basada en cátodos era la más eficaz para eliminar los contaminantes HCH. Los diferentes isómeros mostraron diferentes eficiencias de eliminación. El isómero mayoritario, α-HCH, se eliminó casi por completo;
sin embargo, el isómero más persistente, β-HCH, sólo se eliminó de forma parcial.
Además, el análisis de fitoxicidad demostró que una configuración basada en cátodos era eficaz para promover el crecimiento de las planta frente al bajo crecimiento natural en suelo contaminado. En cuanto a la composición de la comunidad microbiana, las configuraciones basadas en cátodos seleccionaron bacterias catodófilas, mientras que las configuraciones basadas en ánodos seleccionaron bacterias anodófilas y degradadoras de aromáticos.
Finalmente, en el Capítulo 5 hemos incluido una discusión general, una serie de conclusiones a partir de los resultados alcanzados en esta tesis, así como las futuras estrategias para optimizar los tratamientos de electrobiorremediación. La discusión general se presenta en formato pregunta-respuesta, resaltando el impacto favorable de la electromicrobiología para recuperar ambientes contaminados, tanto a nivel físico, como químico y biológico.
- English
Microbial electrochemistry is a biotechnological field that explores interaction between microorganisms and electrically conductive materials. Such studies have evolved to develop a plethora of environmental applications, known as Microbial Electrochemical Technologies (MET). MET can be used to clean up polluted environments by utilizing electrodes as terminal electron acceptors or donors, which enables microbial metabolism to occur beyond natural conditions. This technology is highly versatile and can be applied to a range of matrices, including wastewater, groundwater, sediment and soil. However, the implementation of MET in real-field applications requires overcoming microbial, technological, and economic challenges. Despite these challenges, MET exhibit great potential as a strategy to enhance environmental remediation.
In this thesis, we have explored the capability of MET in natural environments, for both i) to detect groundwater-contaminants like petroleum derived compounds and agrochemical compounds like lindane (Chapter 2) and ii) to remediate lindanepolluted environments (Chapter 3 and Chapter 4). Through our research, we have demonstrated the ability of these technologies to both detect the presence of contaminants but also to stimulate their degradation, leading to the restoration of natural environments.
Chapter 1 represents an updated state of the art regarding the thesis topic:
electrobioremediation and bioelectrochemical detection of contaminants in polluted soil. We indeed provided an overview about environmental pollution specially devoted to aromatic (BTEX) and chlorinated hydrocarbons including their impact in the environment and human health. Furthermore, we reviewed various methods for detecting and removing pollutants from the environment, specially those relevant to our research. In the final section of the chapter, we introduce MET, including their fundamental principles and applications, with an emphasis on how to enhance microbial metabolism of electroactive bacteria for detecting and remediating polluted environments.
Under the following statement one of the best ways to prevent contamination is to monitor risky locations, we have explored innovative methods for developing in-situ early detection of pollutants in groundwater. Indeed, in Chapter 2, we used microbial electrochemical strategies to detect contaminants, such as petroleum hydrocarbons or agrochemicals, in groundwater at microcosm and mesocosm scales. The biosensor consisted of a 3-electrode configuration with a working electrode polarized at anodic potential (0.6 V vs. Ag/AgCl), inserted inside a piezometer. A microbial community of uncontaminated groundwater was used to colonize the electrode, then we observed a response (<2 hours) to a pulse containing a mixture of pollutants such as BTEX and ETBE. Additionally, we also tested the response to complex mixtures using a kerosene spike. We used a biocathode-based sensor strategy (- 0.6 V vs. Ag/AgCl) to monitor electrical current consumption, associated with dehalogenation, in the presence of the insecticide lindane (gamma-hexachlorocyclohexane).
Electrobioremediation is a strategy to clean-up pollution using a combination of electrochemical tools and microbiology. In Chapter 3, we designed and validated at different configurations for removing a widely used pesticide, lindane, from a synthetic and a real polluted soil. Cathodic configuration resulted to show the higher remediation efficiency. In fact, electrode acted as an electron donor and removed lindane ca. 10 times faster than natural attenuation. Moreover, different isomers of lindane were removed using different configurations. Finally, we could demonstrate that even nonflooded polluted soil could be electrobioremediated.
For several years lindane production residues were discharged in Sabiñanigo (Huesca, Spain) and, eventually, landscape was vastly polluted. In this context, we explored strategies ways to clean-up contaminated real soil using in-situ electrobioremediation (Chapter 4). Over a period of 20 weeks, different electrobioremediation configurations were tested. The results revealed a cathode-based configuration as the most effective to remove HCH contaminants. Different isomers throw up different removal efficiencies.
The majority isomer, α-HCH, was almost completely removed; however, the most persistent isomer, β-HCH, was only partially removed. Furthermore, phytoxicity analysis showed that a cathode-based configuration was effective for promoting plant growth.
Regarding the composition of microbial community, cathode-based configurations selected cathodophilic bacteria, while anode-based configurations selected anodophilic and aromatic degrading bacteria.
Finally, in Chapter 5 we have included a general discussion, a series of conclusions after results from the current thesis, and future strategies for optimizing the electrobioremediation actions. The general discussion is presented as a questionanswer format, highlighting the favorable impact of electromicrobiology for remediating polluted environments at physical, chemical, and biological level.
