| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| MICROBIAL ELECTROCHEMICAL STRATEGIES FOR MONITORING AND REMEDIATING ORGANIC POLLUTION IN GROUNDWATER AND SEDIMENTS. | | Autor/a | Deus Villagra, Andrés De | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Esteve Núñez, Abraham | | Fecha de depósito | 26-05-2023 | | Periodo de exposición pública | 27 de mayo a 9 de junio de 2023 | | Fecha de defensa | Sin especificar | | Modalidad | Presencial | | Programa | Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos (RD 99/2011) | | Mención internacional | No | | Resumen | 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. |
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