El pasado día 04 de noviembre de 2022, David Fernández presentó la tesis titulada “Potential application of (bio)electrochemical systems for organohalide degradation” en la sala de grados de la Escuela de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Esta tesis doctoral fue desarrollada en el marco del programa de doctorado de Ciencia y Tecnología Ambientales de la UAB y bajo la co-dirección del Dr. Ernest Marco Urrea y la Dra. Paqui Blánquez, del Departamento de Ingeniería Química, Biológica y Ambiental.
Los miembros del tribunal fueron:
- Presidenta: Cristina Sáez Jiménez
- Secretario: Juan Antonio Baeza Labat
- Vocal: Eric Trably
Resumen
La presencia de compuestos organohalogenados contaminando el medio ambiente y, más específicamente, las aguas subterráneas, es un grave problema debido a sus efectos adversos sobre el medio natural y la salud humana. Además, la relevancia de los acuíferos debido al incremento exponencial de la necesidad global de agua dulce, hace aumentar la importancia de su descontaminación. Una posible solución a este problema podría ser la biorremediación, que utiliza enzimas microbianas para degradar los contaminantes organohalogenados a productos menos tóxicos, o hasta inocuos.
En esta tesis, las tecnologías electroquímicas han sido utilizadas para degradar organohalogenados mediante dos aproximaciones. En primer lugar, hemos explorado el potencial de uso de los sistemas electroquímicos para transformar abióticamente compuestos bromados. En segundo lugar, hemos aprovechado el hidrógeno generado electroquímicamente para estimular el crecimiento y la actividad decloradora de bacterias respiradoras de organohalogenados (OHRB) y transformar compuestos clorados en productos no tóxicos en sistemas bioelectroquímicos (BES). Las OHRB y otras bacterias decloradoras utilizadas en este estudio fueron previamente enriquecidas en nuestro grupo de investigación.
Durante este trabajo, la reducción electroquímica abiótica de dos contaminantes bromados, dibromometano (DBM) y 1,2-dibromoetano (DBA), se ha realizado en un sistema compuesto por dos cámaras operando con un cepillo de fibra de grafito como cátodo. La degradación de 500 μM de ambos contaminantes se ha conseguido entre 1 y 7 horas de operación en los tres potenciales de cátodo aplicados: -0.8, -1.0 y -1.2 V vs electrodo estándar de hidrógeno (SHE). Los principales productos de la reducción del DBM y el DBA han sido determinados como metano y eteno respectivamente. El balance de materia del bromuro ha permitido confirmar la completa debromación de ambos contaminantes.
Seguidamente, se ha estudiado la degradación bioelectroquímica del 1,2-dicloropropano (1,2-DCP) a propeno por un consorcio que contiene Dehalogenimonas alkenigignens en el cátodo de un sistema de dos cámaras. El uso de un cepillo de fibra de grafito ha permitido obtener velocidades de degradación 5.6 veces más elevadas que las obtenidas trabajando con otro material basado en el carbono como es el tejido de carbono. La PCR cuantitativa ha confirmado que las copias del gen 16S rRNA de Dehalogenimonas se han incrementado dos órdenes de magnitud hasta las 108 copias del gen 16S rRNA por mL. La aplicación de un potencial pulsado ha permitido obtener velocidades de degradación elevadas y, a la vez, eficiencias coulombicas (CEs) más altas que cuando se opera con un potencial de cátodo continuo.
La degradación bioelectroquímica del cloroformo (CF) se ha estudiado en un BES de dos cámaras aplicando de manera combinada las actividades de dos consorcios bacterianos que contienen Dehalobacter y Dehalobacterium, capaces de reducir CF a diclorometano (DCM) y de fermentar DCM a acetato, respectivamente. La aplicación de tres potenciales de cátodo secuenciales (-0.6, -0.7 i -0.8 V vs SHE) ha permitido incrementar la velocidad de degradación del CF a la vez que se han obtenido CEs más elevadas del 60% incluso en el potencial aplicado más negativo. La operación en BES ha permitido obtener concentraciones de Dehalobacter de hasta 107 copias del gen 16S rRNA por mL después de haber incrementado en cuatro órdenes de magnitud su concentración inicial. Concentraciones de CF de hasta 800 μM se han degradado exitosamente sin causar una inhibición irreversible en la fermentación del DCM por parte de Dehalobacterium.
Finalmente, la degradación del CF previamente descrita se combinó con la oxidación del tolueno en un biorreactor de una sola cámara en forma de pozo electroquímico operado en continuo. Un consorcio oxidador de tolueno ha establecido satisfactoriamente un biofilm adherido a la superficie del ánodo (operando a +0.4 V de potencial) y ha sido capaz de generar un flujo continuo de electrones hacia el cátodo, que se han utilizado para producir H2 y mediar la reducción del CF por parte de Dehalobacter. Se han estudiado los efectos de diferentes concentraciones de tolueno en el influente del reactor, demostrando una correlación positiva entre estas y las velocidades de degradación por parte del biofilm en el ánodo. Por otro lado, la fermentación del DCM por Dehalobacterium se ha visto inhibida en presencia de concentraciones de 400 μM de tolueno en el influente, pero se ha recuperado en cuanto estas concentraciones se han reducido a 160 μM.
