Διερεύνηση της βιολογικής επί τόπου αποκατάστασης υπογείων υδάτων ρυπασμένων με εξασθενές χρώμιο
Authors: Γαλάνη Ανδριανή 
Published: August 2023

Κύριο αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου (Cr+6) σε τρισθενές (Cr+3) μέσω της βιολογικής δράσης μικροβιακών κοινοτήτων, ως τρόπος επί τόπου αποκατάστασης υπόγειων υδροφορέων ρυπασμένων με εξασθενές χρώμιο. Οι μικροοργανισμοί έχουν τη δυνατότητα να απομακρύνουν πολλούς ρυπαντές από το περιβάλλον με ποικίλες ενζυματικές διεργασίες. Στο περιβάλλον, η αναγωγή του Cr(VI) στο λιγότερο τοξικό Cr(III) βασίζεται στην κινητική της αντίδρασης ανταγωνιστικών μικροβιακών και χημικών αντιδράσεων. Στους κοινούς χημικούς αναγωγείς του Cr(VI) περιλαμβάνονται σουλφίδια, οργανικές ενώσεις, διαλυτός Fe(II) και ορυκτά που περιέχουν Fe(II). Πολλοί μικροοργανισμοί έχουν δείξει την ικανότητα της άμεσης αναγωγής του Cr(VI) σε Cr(III) είτε αερόβια είτε αναερόβια. Ωστόσο, λίγες μελέτες έχουν μελετήσει τη δυνατότητα της επιτόπιας μικροβιακής αναγωγής σε υδροφόρους ορίζοντες. Υπό συνθήκες απουσίας οξυγόνου, τα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν κατευθείαν το Cr(VI) ως τελικό δέκτη ηλεκτρονίων ή να το ανάγουν στον περιπλασματικό χώρο. Επιπλέον, η αναγωγή του Cr(VI) μπορεί να πραγματοποιηθεί και έμμεσα από τη βακτηριακή δραστηριότητα, μέσω μεταβολικών τους παραπροϊόντων. Παράλληλα, μελέτες έχουν αποδείξει ότι τα ιδιαίτερα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της ρυπασμένης περιοχής - pH, θερμοκρασία, άλλες τοξικές ουσίες ή διαφορετικοί αποδέκτες ηλεκτρονίων (νιτρικό άζωτο, θειικά ιόντα)- μπορούν να επηρεάσουν την αποτελεσματικότητα της μικροβιακής αναγωγής.Με βάση τα ανωτέρω, στην παρούσα διατριβή τέθηκαν οι ακόλουθοι στόχοι: i) η διερεύνηση της επίδρασης του αποδέκτη ηλεκτρονίων στις μικροβιακές κοινότητες που ανάγουν το Cr(VI) υπό ανοξικές, αναερόβιες και διαφορετικές θειικοαναγωγικές συνθήκες, ii) η αξιολόγηση της επίδρασης συνδυασμού δοτών ηλεκτρονίων (πηγών οργανικού άνθρακα και σιδήρου) στην πλήρως αναερόβια ή ανοξική αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου με παράλληλη αναγωγή νιτρικών ιόντων, καθώς και στην αναγωγή του Cr(VI) παρουσία θειικών ιόντων και iii) η διερεύνηση των σχετικών με την αναγωγή του Cr(VI) χημικών και βιοχημικών διεργασιών που επικρατούν σε έναν υπόγειο υδροφορέα, λαμβάνοντας υπόψη την κίνηση και μεταφορά του ρύπου μέσα στους πόρους του υπεδάφους. Πραγματοποιήθηκαν δύο είδη πειραμάτων, πειράματα μικρόκοσμου (ή πειράματα ασυνεχούς τροφοδοσίας, batch) και εδαφικών στηλών (ή πειράματα συνεχούς ροής), με στόχο την πληρέστερη προσομοίωση των συνθηκών που επικρατούν σε ένα υπόγειο υδροφορέα. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων μικρόκοσμου, αναπτύχθηκαν οι κατάλληλες βιοκοινότητες με ικανότητα αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου. Συνολικά, αναπτύχθηκαν στο εργαστήριο τέσσερεις (4) μητρικές καλλιέργειες που τροφοδότησαν τους μικρόκοσμους με βιομάζα, έδαφος και υπόγειο νερό, σύμφωνα με τις τέσσερεις (4) οξειδοαναγωγικές συνθήκες που μελετήθηκαν (πλήρως αναερόβιες, παρουσία νιτρικών και δύο διαφορετικών συγκεντρώσεων θειικών ιόντων). Οι καλλιέργειες δημιουργήθηκαν σε γυάλινους περιέκτες, που έκλειναν αεροστεγώς. Σε αυτούς προστέθηκαν 1600 mL νερό γεώτρησης και 400 g ξηρό έδαφος (αναλογία 1:4). Ο εμπλουτισμός κάθε καλλιέργειας με βιομάζα έγινε στην αρχή της περιόδου εγκλιματισμού με την προσθήκη 30 mgTSS/L ενεργού ιλύος από αναερόβιο αντιδραστήρα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, όλες οι καλλιέργειες εκτέθηκαν σε χαμηλή συγκέντρωση εξασθενούς χρωμίου (0.5 mg/L) και διαφορετικούς αποδέκτες ηλεκτρονίων (κανέναν, 10 mg/L NO3-N, 100 mg/L SO42- και 400 mg/L SO42-). Μετά το πέρας της περιόδου εγκλιματισμού, ελάχιστης διάρκειας 4.5 μηνών, βιομάζα από τις μητρικές καλλιέργειες χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα batch, όπου διερευνήθηκε η επίδραση διαφορετικών τρόπων βιοδιέγερσης με την προσθήκη οργανικών ή ανόργανων δοτών ηλεκτρονίων ή και συνδυασμό αυτών.Τα πειράματα στηλών πραγματοποιήθηκαν υπό αναερόβιες συνθήκες, χρησιμοποιώντας δύο (2) στήλες από plexiglass, οι οποίες πληρώθηκαν με εδαφικό υλικό. Οι στήλες του εδάφους λειτουργούσαν υπό κορεσμένες συνθήκες με τους πόρους τους γεμάτους με νερό και τροφοδοτήθηκαν με διάλυμα Cr(VI) που παρασκευάστηκε με διηθημένο υπόγειο νερό και διχρωμικό κάλιο (K2Cr2O7). Η έξοδος κάθε στήλης ανακυκλοφορούσε στο δοχείο τροφοδοσίας, προκειμένου να προσομοιώσει καλύτερα τις συνθήκες σε έναν υπόγειο υδροφορέα και την ταχύτητα ροής του. Μελετήθηκαν: i) η φυσική αναγωγική ικανότητα του εδάφους χωρίς την προσθήκη δότη ηλεκτρονίων, ii) η αβιοτική αναγωγή του Cr(VI) με τη χρήση δισθενούς σιδήρου, iii) η βιολογική αναγωγή του Cr(VI) με τη χρήση πηγών οργανικού άνθρακα και iv) η συζευγμένη αβιοτική-βιοτική αναγωγή του Cr(VI) μέσω πιθανής αναγέννησης Fe(II) λόγω προσθήκης οργανικών πηγών άνθρακα.Δείγματα συλλέγονταν περιοδικά από τις μητρικές καλλιέργειες, τα πειράματα ασυνεχούς τροφοδοσίας και τα πειράματα στηλών, για τη διεξαγωγή αναλύσεων που οδήγησαν σε σαφείς απαντήσεις στα ερευνητικά ερωτήματα που τέθηκαν ανωτέρω. Επίσης, χρησιμοποιήθηκαν κινητικά μοντέλα για την ποσοτική περιγραφή των διαφορετικών περιπτώσεων αναγωγής του εξασθενούς χρωμίου που εξετάστηκαν.Τα αποτελέσματα από τα πειράματα μικρόκοσμου κατέδειξαν ότι οι διάφορες περιπτώσεις αναγωγής του Cr(VI) περιγράφονται ικανοποιητικά βάσει του μοντέλου κινητικής ψευδό-πρώτης τάξης. Υπό αναερόβιες συνθήκες, η βιοδιέγερση των μικροοργανισμών με την προσθήκη ενός οργανικού δότη ηλεκτρονίων μπορεί να αυξήσει τον ρυθμό αναγωγής του Cr(VI) έως και έξι φορές σε σύγκριση με τη φυσική αναγωγική ικανότητα του εδάφους. Επιπλέον, συνδυασμός οργανικού δότη ηλεκτρονίων και πηγής σιδήρου μπορεί να αυξήσει περαιτέρω τον ρυθμό απομάκρυνσης του εξασθενούς χρωμίου μέσω βιοτικών και αβιοτικών διεργασιών. Η αναγωγή του Cr(VI) είναι επίσης εφικτή παρουσία νιτρικών ιόντων και, σύμφωνα με τα αποτελέσματα των πειραμάτων, πραγματοποιείται σχεδόν ταυτόχρονα με την απονιτροποίηση, όταν υπάρχουν διαθέσιμοι δότες ηλεκτρονίων. Οι μικροοργανισμοί που έχουν εγκλιματιστεί υπό ανοξικές συνθήκες μπορούν να «καθαρίσουν» πλήρως το νερό που περιέχει συγκεντρώσεις Cr(VI) και NO3-N, ίσες με 3 mg/L και 20 mg/L, αντίστοιχα, μέσω βιοδιέγερσης, χρησιμοποιώντας είτε οργανικούς είτε συνδυασμό οργανικών και ανόργανων δοτών ηλεκτρονίων. Η παρουσία θειικών ιόντων σε υδροφόρο ορίζοντα ρυπασμένο με Cr(VI) βελτιώνει σημαντικά τη βιοχημική αναγωγή του Cr(VI), ακόμη και χωρίς την προσθήκη δότη ηλεκτρονίων. Ωστόσο, σε υψηλές συγκεντρώσεις θειικών (400 mg/L), η βιολογική αναγωγή του Cr(VI) είναι ελαφρώς μειωμένη σε σύγκριση με χαμηλότερες συγκεντρώσεις θειικών (100 mg/L) λόγω της ταχύτερης κατανάλωσης του οργανικού δότη ηλεκτρονίων. Οι ρυθμοί που προέκυψαν από τα πειράματα μικρόκοσμου συσχετίστηκαν μεταξύ τους με μαθηματικές σχέσεις.Για την περιγραφή των ανωτέρω φαινομένων που μελετήθηκαν στα πειράματα εδαφικών στηλών, χρησιμοποιήθηκε κατάλληλα τροποποιημένο μοντέλο κινητικής 1ης τάξης. Παράλληλα, αναπτύχθηκε κατάλληλη μαθηματική σχέση για την περιγραφή της αναγωγής του Cr(VI) σε κορεσμένους υδροφορείς, λαμβάνοντας υπόψη το πορώδες της περιοχής αποκατάστασης. Μέσω των πειραμάτων εδαφικών στηλών αποδείχτηκε ότι η φυσική αναγωγική ικανότητα του εδάφους είναι πολύ χαμηλή και δεν επαρκεί για την πλήρη απορρύπανση υδροφορέων με υψηλή περιεκτικότητα σε εξασθενές χρώμιο. Η προσθήκη οργανικών δοτών ηλεκτρονίων μπορεί να αυξήσει τον ρυθμό αναγωγής του Cr(VI) έως και 20 φορές σε σύγκριση με τους φυσικούς ρυθμούς αναγωγής Cr(VI) του εδάφους. Επιπλέον, φάνηκε ότι ο δισθενής σίδηρος έχει χαμηλή κινητικότητα σε έδαφος και υπόγεια ύδατα με pH κοντά στο 8 και παθητικοποιείται γρήγορα, οδηγώντας σε μικρή απομάκρυνση του Cr(VI). Η συνδυασμένη βιοτική-αβιοτική απομάκρυνση Cr(VI) είχε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής στην αποκατάσταση των ρυπασμένων με Cr(VI) υπόγειων υδάτων σε σύγκριση με τη βιοτική διεργασία. Συνολικά, τα ευρήματα αυτής της μελέτης μπορούν να παράσχουν μια σημαντική βάση για τη βιολογική αποκατάσταση των υπόγειων υδάτων που έχουν ρυπανθεί με Cr(VI) υπό διαφορετικά οξειδοαναγωγικά περιβάλλοντα, σημαντικές πληροφορίες για την επιτόπια βιοαποκατάσταση ελλείψει οξυγόνου μέσω βιοδιέγερσης των μικροοργανισμών, καθώς και δεδομένα για τη μακροζωία της διαδικασίας όταν ο δότης ηλεκτρονίων είναι περιοριστικός παράγοντας.