Microbial electrochemical technology for perchlorate and clorate reduction in water
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Date
2022
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Abstract
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.
Description
Tesis (Doctor in Engineering Sciences)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2022
Keywords
Sistema bioelectroquímico, Perclorato, Clorato, Dechloromonas agitata, Clostridiodales sp., Biocátodo, Tecnología de electroquímica microbiana