Kinetic modeling of reductive biodegradation of chloroethenes in croumdwater

Abstract

Τα χλωροαιθυλένια, και ιδίως τα τετραχλωροαιθυλένιο (PCE) και τριχλωροαιθυλένιο (TCE), είναι από τους πιο κοινούς ρύπους στο υπόγειο νερό. Μαζί τους, σε ρυπασμένους υδροφορείς ανιχνεύονται συχνά διχλωροαιθυλένια (DCEs) και το μονοχλωριωμένο βινυλοχλωρίδιο (VC), ως παραπροϊόντα της βιοαποδόμησης των PCE και TCΕ. Η αναερόβια αναγωγική αποχλωρίωση (που αναφέρεται απλώς ως αποχλωρίωση στο πλαίσιο αυτής της διατριβής) έχει αναδειχθεί ως το πιο αποτελεσματικό μονοπάτι για τη βιοαποδόμηση των χλωροαιθυλενίων στο υπόγειο νερό.Η αποχλωρίωση είναι μια διεργασία μικροβιακής αναπνοής, κατά την οποία τα χλωροαιθυλένια δρουν ως δέκτες ηλεκτρονίων και το υδρογόνο (H2) δρα ως δότης, με τελικό στάδιο την παραγωγή του περιβαλλοντικώς λιγότερο προβληματικού αιθυλενίου (ETH). Όταν όλη η μάζα του PCE ή TCΕ έχει μετατραπεί σταδιακά μέσω της παραγωγής DCEs και VC σε ETH, η αποχλωρίωση είναι πλήρης.Η αποχλωρίωση, εκτός από διαθέσιμο H2, χρειάζεται και την παρουσία συγκεκριμένων μικροοργανισμώναποχλωριωτών (αποχλωριωτές στο εξής), συχνά αυτοχθόνων, οι οποίοι διευκολύνουν κάθε στάδιο της αντίδρασης αντλώντας ενέργεια για τη συντήρηση και τον πολλαπλασιασμό τους. Σε ρυπασμένους χώρους όπου το H2 δεν επαρκεί για την ολοκλήρωση της αποχλωρίωσης σε εύλογο χρονικό διάστημα, παρέχονται οργανικές ενώσεις πουδιασπώμενες παράγουν H2 (πρόδρομες ενώσεις του H2): αυτή η μέθοδος αποκατάστασης ονομάζεται βιοδιέγερση (ή ενισχυμένη, σε αντίθεση με την ενδογενή, βιοαποκατάσταση). Όμως, η διάσπαση των πρόδρομων ενώσεων απαιτεί την παρουσία κατάλληλων βακτηρίων (υδρογονοπαραγωγοί), διαφορετικών βέβαια από τους αποχλωριωτές. Το παραγόμενο H2 δεν είναι διαθέσιμο αποκλειστικά στους αποχλωριωτές, καθώς υπό αυστηρώς αναερόβιες συνθήκες υπάρχουν κι άλλοι υποψήφιοι ανταγωνιστές για την κατανάλωσή του, όπως οι μεθανογόνοιμικροοργανισμοί (μεθανογόνοι) και τα βακτήρια αναγωγής θειικών ιόντων (θειικοαναγωγείς). Με άλλα λόγια, η αποχλωρίωση είναι μέρος μόνο ενός σύνθετου μεταβολικού συστήματος με μικροβιακές ομάδες οι οποίες είτε υποβοηθούν είτε παρεμποδίζουν τους αποχλωριωτές.Η σύσταση των μεικτών αποχλωριωτικών κοινοτήτων διακρίνεται από ποικιλία αποχλωριωτών και μη, τόσο στο πεδίο όσο και στο εργαστήριο: στη βιβλιογραφία αναφέρονται ρυθμοί αποχλωρίωσης σε μεικτές καλλιέργειες που κυμαίνονται σε εύρος σχεδόν δύο τάξεων μεγέθους. Η μελέτη της αποχλωρίωσης σε μεικτές κοινότητες γίνεται ιδιαίτερα περίπλοκη όταν η ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων εμπλέκει πολλές παράλληλες μικροβιακές διεργασίες. Στο εργαστήριο είναι δύσκολο να απομονωθεί η αποχλωρίωση από τις συνοδές αντιδράσεις και να παρατηρηθεί συστηματικά η παραγωγή και η κατανάλωση του H2 από τις διαφορετικές μικροβιακές ομάδες. Εδώ βοηθούν τα κινητικά μοντέλα τα οποία σε συνδυασμό με πειραματικά δεδομένα μπορούν να αποτυπώσουνποσοτικά την αλληλεπίδραση μεταξύ αποχλωριωτικών και μη διεργασιών.Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκε ένα κινητικό μοντέλο και σχεδιάστηκαν εφαρμογές του με συγκεκριμένο στόχο να μελετηθεί ο ρόλος των μη αποχλωριωτών σε μεικτές αποχλωριωτικές κοινότητες. Ένα μοντέλο που περιγράφει τις κύριες αναμενόμενες μικροβιακές διεργασίες υπό αυστηρώς αναερόβιες συνθήκες είναι σε θέση να προσφέρει εξηγήσεις για την ποικιλία στη συμπεριφορά των διαφορετικών καλλιεργειών που περιγράφονται στη βιβλιογραφία. Επιπλέον, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αριθμητικά πειράματα και να ποσοτικοποιήσει τις συνέπειες στοχευμένων υποθέσεων κατά την αναζήτηση βέλτιστων στρατηγικών για τηβιοαποδόμηση των χλωροαιθυλενίων.Το αναπτυχθέν κινητικό μοντέλο περιγράφει την αποχλωρίωση σε συνδυασμό με συνεργατικές και ανταγωνιστικές διεργασίες. Για τον προσδιορισμό των παραμέτρων του μοντέλου με πειραματικά δεδομένα από προγενέστερη έρευνα στο ΕΜΠ, αναπτύχθηκε μια ευρετική μέθοδος βελτιστοποίησης με πολλαπλά σημεία εκκίνησης (heuristic multistart global optimization approach). Η μέθοδος βελτιστοποίησης δοκιμάστηκε και σε δύο μοντέλα για δύο αποχλωριωτικές κοινότητες από τη βιβλιογραφία. Για μία από αυτές, βρέθηκε να δίνει και μια δεύτερη εναλλακτική εξήγηση για τον πιθανό τύπο των αποχλωριωτών συγκριτικά με μέθοδο βελτιστοποίησης που βασίστηκε σε έναμόνο σημείο εκκίνησης. Η εμπιστοσύνη στη δομή του μοντέλου και στην επαναληπτική μέθοδο βελτιστοποίησης ενισχύθηκε με δοκιμές υπό διακριτές συνθήκες, οι οποίες κάλυπταν το φάσμα από μη περιοριστικές συνθήκες (π.χ. προσθήκη ικανής ποσότητας δότη εν τη απουσία θειικών) έως συνθήκες έντονου ανταγωνισμού (π.χ. όταν η αναγωγή θειικών και η παραγωγή μεθανίου ανταγωνίζεται με την αποχλωρίωση για περιορισμένες ποσότητες H2).Επιπρόσθετα, μια σειρά από αριθμητικά πειράματα προσομοίωσαν την επίδοση εναλλακτικών μεικτών αποχλωριωτικών κοινοτήτων για διαφορετικές στρατηγικές ενισχυμένης βιοαποδόμησης, δίνοντας έμφαση στη δράση και στη σύνθεση των μη αποχλωριωτών μελών της κοινότητας.Τα ευρήματα αυτής της διατριβής προσφέρουν ένα ερμηνευτικό πλαίσιο για τις διαφορετικές αποχλωριωτικές συμπεριφορές που περιγράφονται στη βιβλιογραφία υπό συνθήκες μεθανογένεσης. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν μια κατηγορία μεικτών αποχλωριωτικών κοινοτήτων με κυρίως οξικοτροφικούς μεθανογόνους, για τις οποίες η βιοδιέγερση με H2 σε υψηλές συγκεντρώσεις δεν θα φέρει τους αποχλωριωτές σε μειονεκτική θέση. Έτσι, αυτή η μη αναμενόμενη αποχλωριωτική συμπεριφορά εξηγείται με βάση τον θεωρούμενο λιγότερο συνήθη τύπο των μεθανογόνων (δηλαδή των οξικοτροφικών αντί των υδρογονοτροφικών). Η ανάδειξη του πλαισίου αυτού είναι σημαντική γιατί οι περισσότερες καλομελετημένες αποχλωριωτικές καλλιέργειες, συμπεριλαμβανομένων καιαρκετών διαθέσιμων στο εμπόριο, έχουν την αντίθετη συμπεριφορά: ως αποτέλεσμα, οι αντιλήψεις για το τι συνιστά καλή πρακτική συχνά προέκυπταν από γενικεύσεις που δεν αντιπροσώπευαν το σύμπαν των μεικτών καλλιεργειών που είναι ικανές να αποχλωριώσουν πλήρως τους ρύπους PCE και TCE.Για πρώτη φορά μελετήθηκαν συστηματικά οι δραστηριότητες των μη αποχλωριωτών, καταδεικνύοντας την ανάγκη της αξιολόγησης της αποχλωριωτικής επίδοσης μιας μεικτής καλλιέργειας υπό το πρίσμα της παράλληλης δράσης των κύριων μικροβιακών ομάδων. Συγκεκριμένα, η παρούσα εργασία έδειξε ότι μέτριες διαφορές στις μεταβολικές ιδιότητες των μη αποχλωριωτών (μεθανογόνοι και υδρογονοπαραγωγοί μικροοργανισμοί), ακόμα κι αν αυτοί ήταν μικρή μειοψηφία, επηρέασαν σημαντικά την επίδοση των αποχλωριωτών κατά τη βιοδιέγερση.Το είδος της διερεύνησης που παρουσιάστηκε μπόρεσε να επιβεβαιώσει την ορθή πρακτική της χρήσης αργά διασπώμενων πρόδρομων ενώσεων σε μεικτές καλλιέργειες οι οποίες περιέχουν υδρογονοτροφικούς μεθανογόνους ικανούς να συναγωνιστούν τους αποχλωριωτές όταν επικρατούν υψηλότερες συγκεντρώσεις H2.Επιπλέον, για πρώτη φορά αξιολογήθηκε ο ανταγωνισμός για τα προϊόντα της διάσπασης των πρόδρομων ενώσεων πλην του H2, δηλαδή για το οξικό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το οξικό μπορεί να καθορίσει τον βαθμό ολοκλήρωσης της αποχλωρίωσης, ιδιαίτερα υπό περιοριστικές συνθήκες χαμηλών ποσοτήτων H2, δηλαδή τις συνθήκες που συνήθως επικρατούν κατά τη φυσική εξασθένηση των χλωροαιθυλενίων, η οποία –όταν είναι επιτυχής– στηρίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ενδογενή βιοαποκατάσταση. Οι προσομοιώσεις σε καλλιέργειες με θειικοαναγωγείς αποκάλυψαν τον ρόλο των θειικοαναγωγικών μονοπατιών που εμπλέκουν δότες ηλεκτρονίων πλην του H2: ο ανταγωνισμός για πρόδρομες ενώσεις (λιπαρά οξέα συμπεριλαμβανομένου του οξικού) αποτελεί ένα ακόμα εμπόδιο για την επιτυχή έκβαση της αποχλωρίωσης, εκτός από τον απευθείας ανταγωνισμό για H2. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα ποσοτικοποίησαν τη διαφορά του βαθμού ολοκλήρωσης της αποχλωρίωσης σε συνάρτηση με το μονοπάτι που ακολουθεί η αναγωγή των θειικών.Τέλος, τα αποτελέσματα ισχυροποίησαν την υπόθεση ότι η μακροχρόνια έκθεση των αποχλωριωτών στα σουλφίδια (το προϊόν της αναγωγής θειικών) παρεμποδίζει επιλεκτικά τα πιο αποδοτικά αποχλωριωτικά στελέχη, ενώ παράλληλα ευνοεί αποχλωριωτικά στελέχη που αναπτύσσονται με βραδύτερους ρυθμούς, επιβραδύνοντας έτσι τον ρυθμό της αποχλωρίωσης. Η επιλεκτική παρεμπόδιση των αποχλωριωτών από τα σουλφίδια προσφέρει ένα κατάλληλο ερμηνευτικό πλαίσιο για τα αντικρουόμενα ευρήματα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία σχετικά μετην αποχλωρίωση σε συνθήκες αναγωγής θειικών.Τέλος, ως πιθανώς πλέον σημαντική συμβολή της διατριβής κρίνεται ότι έδειξε πως τα κινητικά μοντέλα μπορούν, πέρα από την προσομοίωση πειραματικών δεδομένων, να είναι έμπιστα εργαλεία όχι μόνο για προβλέψεις της εξέλιξης του ρυπαντικού φορτίου, αλλά και για την αξιολόγηση εναλλακτικών υποθέσεων για τη σύσταση μεικτών μικροβιακών κοινοτήτων και τις εξυγιαντικές δυνατότητές τους