Assessing the feasibility of bioremediation strategies in aquifers polluted by chlorinated solvents

Resumen

La extensa contaminación por organoclorados en suelos y en aguas subterráneas se ha convertido en una urgente preocupación a nivel mundial debido a los riesgos que conllevan para la salud. Además, esta contaminación pone en peligro diversos aspectos del medio ambiente y, por tanto, los servicios ecosistémicos, que serán muy relevantes con el cambio climático (por ejemplo, en un escenario de escasez de agua). La biorremediación es una tecnología sostenible que ha emergido en las últimas décadas como alternativa rentable para la descontaminación de acuíferos con disolventes clorados, en comparación con las técnicas fisicoquímicas más convencionales y que se han utilizado durante mucho tiempo. Este tratamiento biológico de la contaminación utiliza el metabolismo de las bacterias para degradar los contaminantes y detoxificar las aguas subterráneas. Pero, aunque mucha investigación se ha centrado en el estudio de la fisiología y bioquímica de estos procesos bacterianos, la exitosa implementación en campo es todavía un reto hoy en día. Por este motivo, esta tesis ha tenido como objetivo profundizar el conocimiento sobre los procesos de biodegradación anaerobia in-situ (naturales y estimulados) de disolventes clorados en aguas subterráneas, para mejorar futuras estrategias de biorremediación aplicadas a emplazamientos contaminados. Para ello, se han investigado tres lugares diferentes, contaminados por familias de disolventes clorados diferentes, y que representan escenarios de complejidad creciente. Para el primer emplazamiento (Site 1), que en el pasado había sido contaminado por tetracloroetileno (PCE), se evaluó la viabilidad de un tratamiento de biorremediación mediante el estudio de la hidrogeoquímica del acuífero, ensayos de microcosmos, concentraciones de los metabolitos de interés, análisis de los isótopos estables del carbono de los contaminantes de interés (CSIA), y la identificación de genes seleccionados como biomarcadores de la reacción de decloración reductiva. Esta investigación en el laboratorio evidenció que el PCE se podía transformar de forma natural en tricloroetileno (TCE) y cis-1,2-dicloroetileno (cis-DCE), y la detección de los biomarcadores correspondientes confirmó la presencia de bacterias nativas capaces de la detoxificación de las aguas subterráneas. Sin embargo, los microcosmos demostraron que la acumulación de cis-DCE que se producía en condiciones naturales (también en el acuífero) sólo se podía evitar con la adición de sustratos orgánicos fermentables. Con la ayuda de estos estimulantes, que actúan como donadores de electrones, se promovía la decloración del cis-DCE hasta el eteno (ETH), un compuesto inocuo. Así pues, las líneas de evidencia complementarias obtenidas en el laboratorio sugirieron que la mejor estrategia para detoxificar el emplazamiento de forma exitosa era la decloración reductiva biológica estimulada (ERD) con la utilización de lactato como donador de electrones. A continuación, en este mismo emplazamiento y a partir de los resultados obtenidos en el laboratorio, se llevó a cabo una prueba piloto ERD in-situ que consistió en una sola inyección de donador de electrones (lactato) en un solo pozo de seguimiento. La prueba piloto se monitorizó durante 190 días mediante una metodología más completa que la utilizada en el laboratorio, y a través de los siguientes parámetros: 1) hidroquímica, incluyendo el potencial redox (Eh) y la concentración de especies sensibles al redox, etenos clorados (CEs), lactato y acetato; 2) composición de los isótopos estables del carbono de los CEs y del azufre y el oxígeno de los sulfatos; y 3) la secuenciación del gen 16S rRNA de las muestras de agua subterránea. Los resultados demostraron que la inyección de lactato promovió una disminución del Eh, que permitió la completa decloración reductiva de los CEs a ETH en el pozo de inyección. Además, la adición de lactato indujo un cambio en la comunidad microbiana hacia el predominio de bacterias fermentadoras. Dado el éxito de la prueba piloto in-situ, se implementó una ERD con lactato a escala emplazamiento y, mediante el cálculo del balance de masa isotópico del carbono, se confirmó que la decloración del PCE a ETH estaba ocurriendo en todos los pozos estudiados, después de un año de tratamiento, sin una acumulación significativa de compuestos intermediarios tóxicos. Por último, dos emplazamientos complejos (Site 2 y Site 3, sin y con fuente de contaminación activa en el momento del estudio, respectivamente), y que estaban contaminados por múltiples familias de compuestos orgánicos volátiles (VOCs), fueron investigados con el objetivo de encontrar líneas de evidencia de biodegradación y detectar posibles contratiempos que podrían surgir en un futuro tratamiento de biorremediación. En primer lugar, se llevó a cabo la caracterización isotópica del carbono y del cloro (C–Cl) de varios solventes clorados comerciales puros, y de la reacción de fermentación del diclorometano (DCM) por un cultivo con Dehalobacterium, para obtener información valiosa que apoye la interpretación de los resultados obtenidos en análisis de isótopos estables derivados de emplazamientos contaminados. Seguidamente, se evaluó el potencial de biorremediación de los Sites 2 y 3, que estaban principalmente contaminados por DCM, su potencial compuesto parental cloroformo (CF), TCE y monoclorobenceno (MCB)), a través del estudio de la hidroquímica, C–Cl CSIA, microcosmos de laboratorio que ensayaban tratamientos tanto de bioestimulación como de bioaumentación, y datos microbiológicos de las muestras de agua subterránea. En el Site 2, las composiciones isotópicas del carbono y del cloro provenientes de las muestras de campo resultaron ser consistentes con los microcosmos preparados en el laboratorio, que mostraron la degradación completa del CF, DCM y del TCE, y la acumulación del MCB. Además, la identificación de Dehalobacter sp. en cultivos enriquecidos con CF aún dio más fuerza a la capacidad biodegradadora del acuífero para remediar los metanos clorados (CMs). Sin embargo, para el Site 3, los resultados del análisis de la hidroquímica y de C–Cl CSIA de las muestras de campo indicaron muy poca transformación del DCM, CF y TCE, mientras que los microcosmos evidenciaron que la degradación de todos ellos era lenta, ineficiente y estaba fuertemente inhibida, incluso en los dos inóculos comerciales destinados a degradar los contaminantes de interés. Además, una evaluación isotópica dual (C–Cl) a partir de los resultados obtenidos en los dos emplazamientos y de los valores de referencia de la literatura, permitieron la elucidación del origen de ambos CF y DCM. Dada la resistencia a la degradación del MCB y la inhibición general observada en los Sites 2 y 3, respectivamente, una combinación de diferentes tratamientos de descontaminación parece la mejor estrategia para la detoxificación de los dos emplazamientos.