Browsing by Author "Torres Rojas, Felipe Ernesto"

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    Microbial electrochemical technology for perchlorate and clorate reduction in water
    (2022) Torres Rojas, Felipe Ernesto; Vargas Cucurella, Ignacio Tomás; Pontificia Universidad Católica de Chile. Escuela de Ingeniería
    Esta tesis interdisciplinaria combina el estudio de los principios fundamentales biológicos, químicos y físicos de los microorganismos reductores de perclorato electroquímicamente activos con el diseño y la ingeniería para desarrollar reactores bioelectroquímicos para el tratamiento sostenible de dos contaminantes emergentes en el agua: perclorato y clorato. Para lograr este objetivo, primero, se evaluaron las capacidades electroactivas de Dechloromonas sp. CS-1, Clostridiodales sp. CS-2, Paenibacillus sp. CS-3 y Oerskovia sp. CS-4. Estas bacterias aisladas de un sitio natural del norte de Chile solo en Dechloromonas sp. CS-1 y Clostridiodales sp. CS-2 exhibieron una respuesta electroactiva por voltamperometría cíclica obteniendo peaks de corriente a -651 mV y -303 mV (vs. Ag / AgCl), respectivamente. Cada bacteria se probó en una BER mediante la realización de una prueba de cronoamperometría a un potencial de -550 mV vs. Ag / AgCl durante seis días. El estudio electroquímico demostró una eficiencia coulómbica (EC) de 93,328% y 45,643% con una tasa de eliminación de 26,721 ± 2,934 mg L-1 día-1 y 17,289 ± 1,032 mg L -1 día-1, respectivamente. Los resultados sugieren una reducción completa de perclorato para CS-1 (es decir, reacción de 8 electrones) y una reducción incompleta para CS-2 (es decir, reacción de 2 electrones). Este trabajo pionero de bioprospección reveló la actividad electroactiva de Dechloromonas sp. CS-1 y Clostridiodales sp. CS-2 sin el uso de transportadores electroquímicos para la reducción de perclorato. En segundo lugar, se demostró la reducción bioelectroquímica del clorato utilizando BER con un voltaje de aplicación de 0,4 Volt. Los BER ensayados se inocularon con D. agitata CKB. Un experimento de 44 días en el modo de flujo ascendente de recirculación reveló una salida de corriente y eliminación de clorato de 1,54 ± 0,26 µA y 251,5 ± 76,1 mg L-1 respectivamente. Luego, las BER se operaron en modo discontinuo durante 71 días, aumentando el rendimiento a 4,49 ± 0,70 µA y 607,3 ± 64,5 mg L-1. La caracterización electroquímica reveló un pico catódico a -550 ± 8 mV vs. Ag / AgCl y un cálculo de 6 electrones involucrados en la reacción de biorreducción del clorato. A través de este estudio, fue posible establecer, por primera vez, el mecanismo bioelectroquímico de reducción de clorato por D. agitata. Finalmente, se llevó a cabo una modificación química en el electrodo de carbono para mejorar el rendimiento de los BERs utilizados para eliminar estos oxianiones. De acuerdo con la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, la espectroscopía RAMAN y la espectroscopía IR, fue posible describir la funcionalización del electrodo de la tela de carbono. Los resultados muestran que la modificación fue principalmente de los grupos carboxilados (-COOH, -C-O-C-) y nitrogenados (-NH3)+. El electrodo modificado se utilizó en un BER inoculado con Dechloromnoas sp. CS-1, demostrando una mejor respuesta que los controles sin tratamiento durante una prueba de cronoamperometría de 17 días, aplicando un potencial de -500 mV vs Ag / AgCl. El BER con el electrodo modificado mostró una EC de 90,794 ± 9,157% y una tasa de reducción de perclorato de 0,345 ± 0,007 mol m-3 día-1 que fue superior a otros informes en la literatura. Por lo tanto, estos resultados muestran la sinergia positiva entre los microorganismos reductores de perclorato electroactivo y los electrodos modificados para mejorar las BER y eliminar los oxianiones del agua. Luego, al combinar estos tres capítulos (artículos), esta tesis tiene el objetvo de introducir o guiar el camino para el desarrollo de nuevas tecnologías electroquímicas microbianas sostenibles destinadas a eliminar el perclorato y el clorato del agua.
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    Perchlorate and chlorate assessment in drinking water in northern Chilean cities
    (2023) Muñoz Arango, Diana Carolina; Torres Rojas, Felipe Ernesto; Tapia Flores, Natalia F.; Vega Muñoz, Marcela Natalia; Alvear, Cristóbal; Pizarro, Gonzalo; Pastén González, Pablo Arturo; Cortés Arancibia, Sandra; Vega Contreras, Alejandra Soledad; Calderón, Raúl; Nerenberg, Robert; Vargas, Ignacio; CEDEUS (Chile)
    Perchlorate and chlorate are endocrine disruptors considered emerging contaminants (ECs). Both oxyanions are commonly associated with anthropogenic contamination from fertilizers, pesticides, explosives, and disinfection byproducts. However, the soils of the Atacama Desert are the most extensive natural reservoirs of perchlorate in the world, compromising drinking water sources in northern Chile. Field campaigns were carried (2014–2018) to assess the presence of these ECs in the water supply networks of twelve Chilean cities. Additionally, the occurrence of perchlorate, chlorate and other anions typically observed in drinking water matrices of the Atacama Desert (i.e., nitrate, chloride, sulfate) was evaluated using a Spearman correlation analysis to determine predictors for perchlorate and chlorate. High concentrations of perchlorate (up to 114.48 μg L−1) and chlorate (up to 9650 μg L−1) were found in three northern cities. Spatial heterogeneities were observed in the physicochemical properties and anion concentrations of the water supply network. Spearman correlation analysis indicated that nitrate, chloride, and sulfate were not useful predictors for the presence of perchlorate and chlorate in drinking water in Chile. Hence, this study highlights the need to establish systematic monitoring, regulation, and treatment for these EC of drinking water sources in northern Chilean cities for public health protection.
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    Synergistic effect of electrotrophic perchlorate reducing microorganisms and chemically modified electrodes for enhancing bioelectrochemical perchlorate removal
    (2023) Torres Rojas, Felipe Ernesto; Muñoz Arango, Diana Carolina; Canales, Camila Pía; Hevia, Samuel A.; Leyton Soto, Felipe Arturo; Veloso Cid, Nicolás Eduardo; Isaacs Casanova, Mauricio; Vargas Cucurella, Ignacio Tomás; CEDEUS (Chile)
    Perchlorate has been described as an emerging pollutant that compromises water sources and human health. In this study, a new electrotrophic perchlorate reducing microorganism (EPRM) isolated from the Atacama Desert, Dechloromonas sp. CS-1, was evaluated for perchlorate removal in water in a bioelectrochemical reactor (BER) with a chemically modified electrode. BERs were operated for 17 days under batch mode conditions with an applied potential of −500 mV vs. Ag/AgCl. Surface analysis (i.e., SEM, XPS, FT-IR, RAMAN spectroscopy) on the modified electrode demonstrated heterogeneous transformation of the carbon fibers with the incorporation of nitrogen functional groups and the oxidation of the carbonaceous material. The BERs with the modified electrode and the presence of the EAM reached high cathodic efficiency (90.79 ± 9.157%) and removal rate (0.34 ± 0.007 mol m−3-day) compared with both control conditions. The observed catalytic enhancement of CS-1 was confirmed by a reduction in the charge transfer resistance obtained by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Finally, an electrochemical kinetic study revealed an eight-electron perchlorate bioreduction reaction at −638.33 ± 24.132 mV vs. Ag/AgCl. Therefore, our results show the synergistic effect of EPRM and chemically modified electrodes on perchlorate removal in a BER.