Mikrobiální degradace chlorovaných ethylenů a její potenciální využití pro in-situ bioremediace

Ing. Michal ZÁLEŠÁK

Doctoral thesis

Microbial degradation of chlorinated ethenes and its potential application for in-situ bioremediation

Abstract:

The doctoral thesis deals with microbial degradation of chlorinated ethenes and its potential application for in-situ bioremediation. In a theoretical part of the thesis, the main reasons of soil and groundwater contamination by these compounds along with their transport and a fate in a subsurface environment are briefly outlined. The thesis then focuses on common procedures that must be undertaken prior to selecting a suitable remediation method at contaminated sites. Further, the thesis summarizes various microbial processes leading to a transformation and degradation of all chlorinated ethenes and outlines several options for the use of these processes within in-situ bioremediation of affected sites. Special attention is paid to aerobic cometabolic degradation of all three dichloroethenes by pure bacterial strains in a mineral salt medium. The theoretical part of the thesis ends with a chapter devoted to field demonstrations of in-situ bioremediation for clean-up of sites polluted by chlorinated ethenes. A following experimental part of the thesis deals with degradation of selected chlorinated ethenes by Comamonas testosteroni strain RF2 and by several consortia in the mineral salt medium. At first, strain RF2 was tested to investigate its capacity for degrading 1,2-cis-dichloroethene (cDCE), 1,2-trans-dichloroethene (tDCE), and 1,1-dichloroethene (1,1DCE). Degradation assays were performed for single DCEs, as well as for a mixture of DCEs with TCE, which resembled contaminated plume in groundwater. Strain RF2 was capable of efficiently removing all three dichloroethenes (DCEs) at the initial aqueous concentrations of 6.01 mg L-1 for cDCE, 3.80 mg L-1 for tDCE and 0.65 mg L-1 for 1,1DCE, with a removal efficiency of 100 % for cDCE, 65.8 % for tDCE, and 46.8 % for 1,1DCE. Furthermore, complete removal of TCE, cDCE and 1,1DCE (122.5 mikrog L-1, 84.3 mikrog L-1 and 51.4 mikrog L-1, respectively) were observed in a mixture sample that also contained 72.33 mikro g L-1 of tDCE, which was removed to the amount of 72.3%. Moreover, degradation of cDCE (6.01 mg L-1) led to a 92.2 % release of inorganic chloride, and 2,2-dichloroacetaldehyde was determined as the first intermediate of cDCE transformation. Further, a consortium composed of the strain RF2 and vinyl chloride (VC) utilizing Mycobacterium aurum DSM-6695 was tested to investigate its capacity for degrading TCE (115.7 mikrog L-1), cDCE (662 mikrog L-1), tDCE (42.01 mikrog L-1), 1,1DCE (16 mikrog L-1), and VC (7 mg L-1; "all in a liquid phase") in mixed samples. The consortium was able to nearly completely remove all the compounds in the mixed sample within 21 days of the assay. The findings of this thesis suggest that the consortium composed of the strain RF2 and M. aurum DSM-6695 exhibits the potential to remediate groundwater contaminated with chlorinated ethenes.

Abstract:

Dizertační práce se zabývá mikrobiální degradací chlorovaných ethylenů a jejím potenciálním využitím pro in-situ bioremediace. V teoretické části práce jsou stručně popsány hlavní důvody kontaminace půd a podzemních vod chlorovanými ethyleny i jejich následný transport v podzemním prostředí. Práce dále shrnuje běžné postupy při monitorování znečištěných lokalit, jež vedou k zvolení vhodné sanační metody. Následně jsou popsány různé mikrobiální procesy vedoucí k transformaci a degradaci chlorovaných ethylenů, načež jsou nastíněny známé způsoby využití těchto procesů pro in-situ bioremediace znečištěných lokalit. Zvláštní pozornost je věnována aerobní kometabolické degradaci všech tří dichloroethenů čistými bakteriálními kmeny v prostředí minerálního média. Teoretická část práce je zakončena kapitolou, která shrnuje uskutečněné in-situ bioremediační projekty, cílené na odstranění chlorovaných ethylenů z půd a podzemních vod. Navazující experimentální část práce se zabývá degradací vybraných chlorovaných ethylenů kulturou Comamonas testosteroni RF2 a několika bakteriálními konsorcii v prostředí minerálního média. Kmen RF2 byl zvolen pro pokusy kometabolické degradace 1,2-cis-dichlorethylenu (cDCE), 1,2-trans-dichlorothylenu (tDCE), 1,1-dichlorethylenu (1,1DCE) a vinyl chloridu (VC). Degradační testy byly provedeny jednak pro jednotlivé dichlorethyleny (DCEs) a rovněž pro směs DCEs s TCE, simulující podzemní vodu znečištěnou těmito látkami. Kmen RF2 byl schopen odstraňovat všechny DCEs (dávkovány samostatně) při počátečních koncentracích v kapalné fázi: 6,01 mg L-1 cDCE, 3,80 mg L-1 tDCE a 0,65 mg L-1 1,1DCE, s účinností odstranění 100% pro cDCE, 65,8 % pro tDCE a 46,8 % pro 1,1DCE. Úplné odstranění cDCE vedlo k uvolnění 92,2% anorganických chloridů. Dále bylo zjištěno úplné odstranění TCE, cDCE a 1,1DCE (122,5 mikrog L-1, 84,3 mikrog L-1 a 51,4 mikrog L-1) ve vzorcích obsahujících modelovou podzemní vodu. Ve stejných vzorcích rovněž došlo k odstranění 72,3 % tDCE o koncentraci 72,33 mikrog L-1. Sledování kinetiky degradace cDCE ukázalo na existenci dvou metabolitů rozkladu, přičemž jako první meziprodukt transformace cDCE byl zjištěn 2,2-dichloracetaldehyd. V neposlední řadě bylo studováno konsorcium kmene RF2 s bakterií Mycobacterium aurum DSM-6695, jež metabolicky rozkládá VC. Toto konsorcium bylo podrobeno experimentu současné degradace TCE (115,7 mikrog L-1), cDCE (662 mikrog L-1), tDCE (42,01 mikrog L-1), 1,1DCE (16 mikrog L-1) a VC (7 mg L-1, "vše v kapalné fázi") a ukázalo schopnost téměř úplně odstranit všechny sloučeniny ve směsném vzorku do 21 dnů, čímž prokázalo značný potenciál pro jeho případné využití v rámci čištění podzemních vod znečištěných chlorovanými ethyleny.

Keywords

Chlorované etheny, mikrobiální degradace a transformace, in-situ bioremediace, Comamonas testosteroni RF2

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 12. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 31. 1. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Jan Růžička, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Chemistry and Materials Technology