Kinetic modeling of reductive biodegradation of chloroethenes in croumdwater

Abstract

Chloroethenes, and particularly the most chlorinated perchloroethene (PCE) and trichloroethene (TCE), are among the most prevalent groundwater contaminants. In contaminated subsurface environments, PCE and TCE are often accompanied by dichloroethenes (DCEs) and the monochlorinated vinyl chloride (VC), which are produced by the microbially-mediated degradation of PCE and TCE.Anaerobic reductive dechlorination (referred to simply as dechlorination in the context of the thesis) has emerged as the most efficient biodegradation pathway of chloroethenes. Dechlorination is a stepwise microbial respiratory process, during which chloroethenes serve as electron acceptors and H2 serves as the electron donor. Ultimately, the environmentally benign ethene (ETH) is produced.Dechlorination depends upon, besides H2 availability, the presence of specific microbes (namely dechlorinators), often naturally-occurring, that mediate each step of the reaction and gain energy to support their maintenance and growth. In field settings, when H2 is insufficient for the complete or timely detoxification of chloroethenes, H2 precursors are supplied, an approach referred to as biostimulation (or enhanced, as opposed to intrinsic, biodegradation). Typically, H2 is not readily available to dechlorinators, hence, the presence of bacteria that can mediate the production of H2 is also a prerequisite for successful biostimulation. But, H2 will not stimulate onlydechlorinators; H2 under strictly anaerobic conditions is an electron donor for competitor H2 scavengers, such as sulfate-reducers and methanogens. Consequently, dechlorination is part of a complex food web involving populations that help (syntrophs) or hinder (competitors) dechlorinators.The composition of mixed dechlorinating communities varies considerably both in field and laboratory conditions. Differences in the make-up of chloroethene-degrading communities (i.e. different dechlorinating and nondechlorinating microorganisms) have resulted in mixed cultures with diverse dechlorinating abilities. Consequently, dechlorination rates reported in the literature vary significantly, almost by two orders of magnitude. Considering the metabolic properties of dechlorinators, when the goal is their preferential stimulation, a reasonable remedialapproach appears to be the addition of slowly fermentable substrates that provide H2 (and acetate) steadily at low concentrations. Yet, several biostimulation efforts in the literature deviated from this reasoning (mainly in the laboratory) and managed to successfully effect complete dechlorination to ethene.The study of dechlorination in mixed communities becomes especially challenging when multiple underlying microbial processes are involved in the explanation of the observed outcomes. In the laboratory, it is hard to separate dechlorination from its side reactions and systematically observe the interspecies flow of H2. Kinetic models, however, can aid experimental approaches and provide insight into the relevance of dechlorinating and non-dechlorinating processes.In this research, a comprehensive kinetic model was developed and calibrated, and suitable applications were devised, with the aim to shed light on the non-dechlorinating part of dechlorinating communities. A model that integrates the key microbial processes that are typically anticipated under strictly anaerobic conditions can offer plausible explanations for the distinctive behaviors of dechlorinating cultures in laboratory settings and naturalenvironments. The model can be used to perform numerical experiments and evaluate the outcome of targeted what-if scenarios that corroborate laboratory investigations, in search of supporting evidence for selecting strategies to optimize chloroethene detoxification.To this end, the kinetic model presented herein accounted for dechlorination in conjunction with cooperative (i.e.fermentation of H2 precursors) and competing processes (methane formation and sulfate reduction). A heuristic multistart global optimization approach was developed in order to calibrate the model with experimental observations from research previously performed at NTUA. The multistart optimization technique was also tested with two models and mixed chloroethene-degrading cultures reported in the literature: in one of them, it was found to offer greater insight into the type of dechlorinators. Confidence in model structure and the multistart strategywas gained by testing them under distinctive conditions, ranging from non-limiting conditions (e.g. ample donor supply in the absence of sulfate reducers) to competitive conditions for dechlorinators (e.g. when sulfate reduction and methane formation compete with dechlorination for limited quantities of H2). Finally, a series of numerical tests was performed to simulate the performance of alternate mixed communities under distinct scenarios of enhanced dechlorination, with emphasis given on the activity and the make-up of non-dechlorinators.The findings of this thesis offer a framework through which to interpret the observations of dechlorination under methanogenic conditions reported in the literature. The results delineated a group of mixed dechlorinating cultures, containing mostly acetate-consuming methanogens, for which the addition of H2 in significant quantities will not put dechlorinators in disadvantage, thereby explaining why this is so on the basis of the composition of the nondechlorinatingportion of the microbial community. This is important, because most of the well-studieddechlorinating cultures, including several commercially available ones, exhibit the opposite trend: as a result, perceptions of good practice for efficient dechlorination have often stemmed from over-generalizations that did not apply to the universe of the mixed cultures capable of fully dechlorinating PCE and TCE.This work investigated systematically the activities of non-dechlorinators for the first time, thus highlighting the need to examine the performance of chloroethene-degrading cultures by considering the interplay of the main microbial groups. Specifically, it showed that moderate differences in the metabolic properties of nondechlorinators (methanogens and H2-producing fermenters), even if they are minority populations, influenced significantly the performance of dechlorinators following biostimulation.Overall, the type of inquiry presented herein frames the use of slowly fermentable substrates to communities where efficient H2-utilizing methanogens thrive and compete with dechlorinators. In addition, this is the first time that the competition for fermentation daughter-products besides H2 (i.e. acetate) is assessed. Model results indicated that acetate can dictate the extent of dechlorination, especially under limiting H2 conditions, i.e. conditions typically encountered during the natural attenuation of chloroethenes.Simulations performed under sulfate-reducing conditions revealed the role of sulfate-reducing pathways that involve electron donors other than H2; competition for H2 precursors (fermentable substrates and acetate) can jeopardize the success of dechlorination, apart from direct competition for H2. Specifically, the results quantified differences in dechlorination extent depending on the type of the pathway followed for sulfate reduction. Finally, model results provide evidence supporting the hypothesis that the long-term exposure of dechlorinators to sulfides(the end-product of sulfate reduction) preferentially inhibit the most efficient dechlorinating species, giving room to slow-growing dechlorinators to dominate. The preferential inhibition of dechlorinators by sulfides provides a suitable explanatory framework for the inconsistent findings regarding dechlorination under-sulfate reducing conditions.Perhaps more importantly, this work showed that kinetic modeling of the fate of priority groundwater pollutants can become more than a fitting exercise and be trusted not only in a predictive mode but also to evaluate alternate hypotheses of the composition of mixed microbial communities and their remediation potential.

Τα χλωροαιθυλένια, και ιδίως τα τετραχλωροαιθυλένιο (PCE) και τριχλωροαιθυλένιο (TCE), είναι από τους πιο κοινούς ρύπους στο υπόγειο νερό. Μαζί τους, σε ρυπασμένους υδροφορείς ανιχνεύονται συχνά διχλωροαιθυλένια (DCEs) και το μονοχλωριωμένο βινυλοχλωρίδιο (VC), ως παραπροϊόντα της βιοαποδόμησης των PCE και TCΕ. Η αναερόβια αναγωγική αποχλωρίωση (που αναφέρεται απλώς ως αποχλωρίωση στο πλαίσιο αυτής της διατριβής) έχει αναδειχθεί ως το πιο αποτελεσματικό μονοπάτι για τη βιοαποδόμηση των χλωροαιθυλενίων στο υπόγειο νερό.Η αποχλωρίωση είναι μια διεργασία μικροβιακής αναπνοής, κατά την οποία τα χλωροαιθυλένια δρουν ως δέκτες ηλεκτρονίων και το υδρογόνο (H2) δρα ως δότης, με τελικό στάδιο την παραγωγή του περιβαλλοντικώς λιγότερο προβληματικού αιθυλενίου (ETH). Όταν όλη η μάζα του PCE ή TCΕ έχει μετατραπεί σταδιακά μέσω της παραγωγής DCEs και VC σε ETH, η αποχλωρίωση είναι πλήρης.Η αποχλωρίωση, εκτός από διαθέσιμο H2, χρειάζεται και την παρουσία συγκεκριμένων μικροοργανισμώναποχλωριωτών (αποχλωριωτές στο εξής), συχνά αυτοχθόνων, οι οποίοι διευκολύνουν κάθε στάδιο της αντίδρασης αντλώντας ενέργεια για τη συντήρηση και τον πολλαπλασιασμό τους. Σε ρυπασμένους χώρους όπου το H2 δεν επαρκεί για την ολοκλήρωση της αποχλωρίωσης σε εύλογο χρονικό διάστημα, παρέχονται οργανικές ενώσεις πουδιασπώμενες παράγουν H2 (πρόδρομες ενώσεις του H2): αυτή η μέθοδος αποκατάστασης ονομάζεται βιοδιέγερση (ή ενισχυμένη, σε αντίθεση με την ενδογενή, βιοαποκατάσταση). Όμως, η διάσπαση των πρόδρομων ενώσεων απαιτεί την παρουσία κατάλληλων βακτηρίων (υδρογονοπαραγωγοί), διαφορετικών βέβαια από τους αποχλωριωτές. Το παραγόμενο H2 δεν είναι διαθέσιμο αποκλειστικά στους αποχλωριωτές, καθώς υπό αυστηρώς αναερόβιες συνθήκες υπάρχουν κι άλλοι υποψήφιοι ανταγωνιστές για την κατανάλωσή του, όπως οι μεθανογόνοιμικροοργανισμοί (μεθανογόνοι) και τα βακτήρια αναγωγής θειικών ιόντων (θειικοαναγωγείς). Με άλλα λόγια, η αποχλωρίωση είναι μέρος μόνο ενός σύνθετου μεταβολικού συστήματος με μικροβιακές ομάδες οι οποίες είτε υποβοηθούν είτε παρεμποδίζουν τους αποχλωριωτές.Η σύσταση των μεικτών αποχλωριωτικών κοινοτήτων διακρίνεται από ποικιλία αποχλωριωτών και μη, τόσο στο πεδίο όσο και στο εργαστήριο: στη βιβλιογραφία αναφέρονται ρυθμοί αποχλωρίωσης σε μεικτές καλλιέργειες που κυμαίνονται σε εύρος σχεδόν δύο τάξεων μεγέθους. Η μελέτη της αποχλωρίωσης σε μεικτές κοινότητες γίνεται ιδιαίτερα περίπλοκη όταν η ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων εμπλέκει πολλές παράλληλες μικροβιακές διεργασίες. Στο εργαστήριο είναι δύσκολο να απομονωθεί η αποχλωρίωση από τις συνοδές αντιδράσεις και να παρατηρηθεί συστηματικά η παραγωγή και η κατανάλωση του H2 από τις διαφορετικές μικροβιακές ομάδες. Εδώ βοηθούν τα κινητικά μοντέλα τα οποία σε συνδυασμό με πειραματικά δεδομένα μπορούν να αποτυπώσουνποσοτικά την αλληλεπίδραση μεταξύ αποχλωριωτικών και μη διεργασιών.Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκε ένα κινητικό μοντέλο και σχεδιάστηκαν εφαρμογές του με συγκεκριμένο στόχο να μελετηθεί ο ρόλος των μη αποχλωριωτών σε μεικτές αποχλωριωτικές κοινότητες. Ένα μοντέλο που περιγράφει τις κύριες αναμενόμενες μικροβιακές διεργασίες υπό αυστηρώς αναερόβιες συνθήκες είναι σε θέση να προσφέρει εξηγήσεις για την ποικιλία στη συμπεριφορά των διαφορετικών καλλιεργειών που περιγράφονται στη βιβλιογραφία. Επιπλέον, το μοντέλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αριθμητικά πειράματα και να ποσοτικοποιήσει τις συνέπειες στοχευμένων υποθέσεων κατά την αναζήτηση βέλτιστων στρατηγικών για τηβιοαποδόμηση των χλωροαιθυλενίων.Το αναπτυχθέν κινητικό μοντέλο περιγράφει την αποχλωρίωση σε συνδυασμό με συνεργατικές και ανταγωνιστικές διεργασίες. Για τον προσδιορισμό των παραμέτρων του μοντέλου με πειραματικά δεδομένα από προγενέστερη έρευνα στο ΕΜΠ, αναπτύχθηκε μια ευρετική μέθοδος βελτιστοποίησης με πολλαπλά σημεία εκκίνησης (heuristic multistart global optimization approach). Η μέθοδος βελτιστοποίησης δοκιμάστηκε και σε δύο μοντέλα για δύο αποχλωριωτικές κοινότητες από τη βιβλιογραφία. Για μία από αυτές, βρέθηκε να δίνει και μια δεύτερη εναλλακτική εξήγηση για τον πιθανό τύπο των αποχλωριωτών συγκριτικά με μέθοδο βελτιστοποίησης που βασίστηκε σε έναμόνο σημείο εκκίνησης. Η εμπιστοσύνη στη δομή του μοντέλου και στην επαναληπτική μέθοδο βελτιστοποίησης ενισχύθηκε με δοκιμές υπό διακριτές συνθήκες, οι οποίες κάλυπταν το φάσμα από μη περιοριστικές συνθήκες (π.χ. προσθήκη ικανής ποσότητας δότη εν τη απουσία θειικών) έως συνθήκες έντονου ανταγωνισμού (π.χ. όταν η αναγωγή θειικών και η παραγωγή μεθανίου ανταγωνίζεται με την αποχλωρίωση για περιορισμένες ποσότητες H2).Επιπρόσθετα, μια σειρά από αριθμητικά πειράματα προσομοίωσαν την επίδοση εναλλακτικών μεικτών αποχλωριωτικών κοινοτήτων για διαφορετικές στρατηγικές ενισχυμένης βιοαποδόμησης, δίνοντας έμφαση στη δράση και στη σύνθεση των μη αποχλωριωτών μελών της κοινότητας.Τα ευρήματα αυτής της διατριβής προσφέρουν ένα ερμηνευτικό πλαίσιο για τις διαφορετικές αποχλωριωτικές συμπεριφορές που περιγράφονται στη βιβλιογραφία υπό συνθήκες μεθανογένεσης. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν μια κατηγορία μεικτών αποχλωριωτικών κοινοτήτων με κυρίως οξικοτροφικούς μεθανογόνους, για τις οποίες η βιοδιέγερση με H2 σε υψηλές συγκεντρώσεις δεν θα φέρει τους αποχλωριωτές σε μειονεκτική θέση. Έτσι, αυτή η μη αναμενόμενη αποχλωριωτική συμπεριφορά εξηγείται με βάση τον θεωρούμενο λιγότερο συνήθη τύπο των μεθανογόνων (δηλαδή των οξικοτροφικών αντί των υδρογονοτροφικών). Η ανάδειξη του πλαισίου αυτού είναι σημαντική γιατί οι περισσότερες καλομελετημένες αποχλωριωτικές καλλιέργειες, συμπεριλαμβανομένων καιαρκετών διαθέσιμων στο εμπόριο, έχουν την αντίθετη συμπεριφορά: ως αποτέλεσμα, οι αντιλήψεις για το τι συνιστά καλή πρακτική συχνά προέκυπταν από γενικεύσεις που δεν αντιπροσώπευαν το σύμπαν των μεικτών καλλιεργειών που είναι ικανές να αποχλωριώσουν πλήρως τους ρύπους PCE και TCE.Για πρώτη φορά μελετήθηκαν συστηματικά οι δραστηριότητες των μη αποχλωριωτών, καταδεικνύοντας την ανάγκη της αξιολόγησης της αποχλωριωτικής επίδοσης μιας μεικτής καλλιέργειας υπό το πρίσμα της παράλληλης δράσης των κύριων μικροβιακών ομάδων. Συγκεκριμένα, η παρούσα εργασία έδειξε ότι μέτριες διαφορές στις μεταβολικές ιδιότητες των μη αποχλωριωτών (μεθανογόνοι και υδρογονοπαραγωγοί μικροοργανισμοί), ακόμα κι αν αυτοί ήταν μικρή μειοψηφία, επηρέασαν σημαντικά την επίδοση των αποχλωριωτών κατά τη βιοδιέγερση.Το είδος της διερεύνησης που παρουσιάστηκε μπόρεσε να επιβεβαιώσει την ορθή πρακτική της χρήσης αργά διασπώμενων πρόδρομων ενώσεων σε μεικτές καλλιέργειες οι οποίες περιέχουν υδρογονοτροφικούς μεθανογόνους ικανούς να συναγωνιστούν τους αποχλωριωτές όταν επικρατούν υψηλότερες συγκεντρώσεις H2.Επιπλέον, για πρώτη φορά αξιολογήθηκε ο ανταγωνισμός για τα προϊόντα της διάσπασης των πρόδρομων ενώσεων πλην του H2, δηλαδή για το οξικό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το οξικό μπορεί να καθορίσει τον βαθμό ολοκλήρωσης της αποχλωρίωσης, ιδιαίτερα υπό περιοριστικές συνθήκες χαμηλών ποσοτήτων H2, δηλαδή τις συνθήκες που συνήθως επικρατούν κατά τη φυσική εξασθένηση των χλωροαιθυλενίων, η οποία –όταν είναι επιτυχής– στηρίζεται σε μεγάλο βαθμό στην ενδογενή βιοαποκατάσταση. Οι προσομοιώσεις σε καλλιέργειες με θειικοαναγωγείς αποκάλυψαν τον ρόλο των θειικοαναγωγικών μονοπατιών που εμπλέκουν δότες ηλεκτρονίων πλην του H2: ο ανταγωνισμός για πρόδρομες ενώσεις (λιπαρά οξέα συμπεριλαμβανομένου του οξικού) αποτελεί ένα ακόμα εμπόδιο για την επιτυχή έκβαση της αποχλωρίωσης, εκτός από τον απευθείας ανταγωνισμό για H2. Πιο συγκεκριμένα, τα αποτελέσματα ποσοτικοποίησαν τη διαφορά του βαθμού ολοκλήρωσης της αποχλωρίωσης σε συνάρτηση με το μονοπάτι που ακολουθεί η αναγωγή των θειικών.Τέλος, τα αποτελέσματα ισχυροποίησαν την υπόθεση ότι η μακροχρόνια έκθεση των αποχλωριωτών στα σουλφίδια (το προϊόν της αναγωγής θειικών) παρεμποδίζει επιλεκτικά τα πιο αποδοτικά αποχλωριωτικά στελέχη, ενώ παράλληλα ευνοεί αποχλωριωτικά στελέχη που αναπτύσσονται με βραδύτερους ρυθμούς, επιβραδύνοντας έτσι τον ρυθμό της αποχλωρίωσης. Η επιλεκτική παρεμπόδιση των αποχλωριωτών από τα σουλφίδια προσφέρει ένα κατάλληλο ερμηνευτικό πλαίσιο για τα αντικρουόμενα ευρήματα που αναφέρονται στη βιβλιογραφία σχετικά μετην αποχλωρίωση σε συνθήκες αναγωγής θειικών.Τέλος, ως πιθανώς πλέον σημαντική συμβολή της διατριβής κρίνεται ότι έδειξε πως τα κινητικά μοντέλα μπορούν, πέρα από την προσομοίωση πειραματικών δεδομένων, να είναι έμπιστα εργαλεία όχι μόνο για προβλέψεις της εξέλιξης του ρυπαντικού φορτίου, αλλά και για την αξιολόγηση εναλλακτικών υποθέσεων για τη σύσταση μεικτών μικροβιακών κοινοτήτων και τις εξυγιαντικές δυνατότητές τους