sòls, bioremediació, fitoremediació, geología & edafologia, AG1012, UJI, recursos naturals, medi ambient

1. El sòl com a recurs: Bioremediació i
Fitoremediació de sòls contaminats
Teresa Vicent
Departament d’Enginyeria
Química
Geologia i Edafologia
1r curs del Grau en Enginyeria Agroalimetària i del Medi Rural
Castelló de la Plana, 14 de maig de 2015

2. Index
•Introducció: Legislació i Definicions
•Perspectiva històrica i situació actual
•Contaminants prioritaris i emergents
•Bioremediació
•Fitoremediació
•Perspectives futures
El sòl com a recurs: Bioremediació i
Fitoremediació de sòls contaminats

3. Sòls contaminats
Introducció
 El sòl és la fina capa
superior de l’escorsa
terrestre en contacte
amb l’atmosfera i les
aigües, que s’ha format
lentament com
conseqüència de l’acció
combinada de cinc
factors: clima, material
originari, paisatge,
factors biòtics
(vegetació, fauna i
accions antròpiques) i
finalment el temps.

4. Sòls contaminats
Introducció
En el sòl, el material de novo es produït constantment i, al
mateix temps, la matèria orgànica es descomposa alliberant
energia i subministrant nutrients per a les plantes i altres
organismes.
El sòl és altament resistent a les pertorbacions degut a la seva
capacitat de portar a terme diferents funcions que
constitueixen els seus “mecanismes de defensa”. Aquests
inclouen processos d’adsorció/desorció, reaccions biològiques i
químiques, hidròlisis, volatilització, etc.
Aquests mecanismes poden veure’s dramàticament afectats si
les pertorbacions son continues i / o excedeixen la capacitat
natural del sol per mantenir-se en equilibri

5. Sòls contaminats
Introducció
El desenvolupament industrial i les activitats agrícoles han
causat la major part de la contaminació del sòl, que es
defineix com “la presència d’una substància perillosa, a un
nivell de concentració, que posa en risc a un potencial
receptor”

6. Water
Framework
Directive
Environmental
Liability
Directive
Strategy
Urban
Environments
IPPC / IED
Directives
Structural
Funds
Strategy
on sustainable
use of
resources
Soil
Framework
Directive
Ground
Water
Directive
Contaminated
Sites
Guidelines
For
State-aid
Waste
Framework
Directive
Strategy
on waste
prevention
and recycling
Landfill
Directive
Regulatory environment at European level
Renewable
Energies
Directive
REACH?

7.  4 pillars:
 (1) framework legislation with protection and
sustainable use of soil as its principal aim;
 Soil Protection Directive – Draft
 Environmental Liability Directive – Implementation
phase
 (2) integration of soil protection into other policies
 Revision of the Sewage Sludge Directive, the
IPPC / IED Directive, the Waste Framework
Directive
 Waste Framework Directive
 Soil Provisions in the Renewable Energies Directive
 Biodiversity, Climat Change, Rural development
Plans, etc.
 (3) closing the recognised knowledge gap by
Community and national research programmes;
 (4) increasing public awareness of the need to protect
soil
the Soil Protection Strategy

8. Legislació i Definicions
Directiva Marc Residus 2008

9. Directiva Marc Residus 2008
Legislació i Definicions

10. Environmental Liability Directive
The purpose of the Environmental Liability Directive (“ELD”) is to
establish a framework of environmental liability, based on the
"polluter-pays" principle, to prevent and remedy environmental
damage.
The ELD aims at ensuring that the financial consequences of
certain types of harm caused to the environment will be borne
by the economic operator who caused this harm

11. Definition of environmental damage
There are three categories of environmental damage under the ELD:
(a) “damage to protected species and natural habitats”, which is any damage
that has significant adverse effects on reaching or maintaining the favourable
conservation status of such habitats or species. The habitats and species
concerned are defined by reference to species and types of natural habitats
identified in the relevant parts of the Birds Directive 79/409 and the Habitats
Directive 92/43;
(b) “water damage”, which is any damage that significantly adversely affects
the ecological, chemical and/or quantitative status and/or ecological potential,
as defined in the Water Framework Directive 2000/60, of the waters
concerned;
(c) “land damage”, which is any land contamination that creates a
significant risk of human health being adversely affected as a result
of the direct or indirect introduction, in, on or under land, of
substances, preparations, organisms or micro-organisms.

12. Prevention and remedying of environmental damage
Where environmental damage has not yet occurred but there is an
imminent threat of such damage occurring, the operator shall, without
delay, take the necessary preventive measures and, in certain cases, inform
the competent authority of all relevant aspects of the situation, as soon as
possible.
Where environmental damage has occurred, the operator shall, without
delay, inform the competent authority of all relevant aspects of the
situation and take:
(a) all practicable steps to immediately control, contain, remove or
otherwise manage the relevant contaminants and/or any other damage
factors in order to limit or to prevent further environmental damage and
adverse effects on human health or further impairment of services, and
(b) the necessary remedial measures, in accordance with the relevant
provisions of the ELD

13. Legislació i Definicions

14. Legislació i Definicions

15. Sòls contaminats
Introducció

16. RD 9/2005
Reial decret 9/2005, de 14 de gener, segons el qual s’estableix la relació
S’estableix:
- la relació d’activitats potencialment contaminants del sòl, els criteris i els estàndards per
a la declaració de sòls contaminats.
- Nivells genèrics de referència
- Procés de gestió de sòls contaminats
Decret Legistaltiu 1/2009, articles 19 a 21
Articles 19,20 i 21 del Decret legislatiu 1/2009, de 21 de juliol, el que s'aprova el Tex
Restauració d’espais degradats i recuperació de sòls contaminats
Legislació i Definicions

17. Causes i Efectes de la contaminació dels sòls

18. Causes de la contaminació del sòl
01. Emmagatzematge incorrecte de productes i/o residus en
activitats industrials
02. Abocaments incontrolats de residus
03. Runa industrial
04. Bidons soterrats
05. Emmagatzematge incorrecte de
productes o residus
06. Accidents en el transport de
mercaderies
07. Fuites en tancs

19. Causes de la contaminació del sòl
08. Abocaments incontrolats d'aigües residuals
09. Ús incorrecte de
pesticides i/o adobs
10. Clavegueram antic en mal estat
11. Antics enterraments de residus
12. Deposició de contaminants
atmosfèrics

20. Efectes de la contaminació del sòl
01. Contaminació de les aigües superficials
02. Contaminació de les aigües
subterrànies
03. Contaminació de sediments
del riu

21. 04. Evaporació de compostos volàtils
05. Contaminació de l'aire a l'interior d'edificis
06. Contaminació de les fonts d’abastament
07. Ingestió de terra contaminada
08. Ús recreatiu d'aigües
superficials contaminades
09. Perills en excavacions
10. Contaminació d'hortalisses i animals de granja a
causa de la utilització d'aigües subterrànies
Efectes de la contaminació del sòl

22. Descontaminación.
Primeras experiencias en Europa
1980/90
✓ confinamiento en vertederos
✓ protesta generalizada de la comunidad científica
✓ aparición primeras legislaciones relacionadas
Dinamarca, Holanda y Alemania: pioneros en legislación
Perspectiva histórica

23. PLAN NACIONAL DE RECUPERACIÓN DE SUELOS
CONTAMINADOS
RESOLUCIÓN DE 28 DE ABRIL DE 1995,
DE LA SECRETARÍA DE ESTADO DE MEDIO AMBIENTE Y VIVIENDA, POR LA QUE SE
DISPONE LA PUBLICACIÓN DEL ACUERDO DEL CONSEJO DE MINISTROS DE 17 DE
FEBRERO DE 1995, POR EL QUE SE APRUEBA EL PLAN NACIONAL DE RECUPERACIÓN DE
SUELOS CONTAMINADOS.
BOE 114, DE 13-05-95
Tema 5.
Perspectiva histórica

24. 1995
Diagnóstico de la situación:
La Secretaría de Estado de Medio Ambiente y Vivienda tiene
identificadas e inventariadas un total de 18.142 actividades
industriales que son focos potenciales de generar espacios
contaminados.
Se han detectado asimismo un número de 4.532
emplazamientos identificados como potencialmente
contaminados.
Del total de emplazamientos identificados, 249 fueron
sometidos a un proceso de caracterización en campo y
posteriormente evaluados en función del daño y riesgo que
presentaban para la salud pública, recursos naturales y el medio
ambiente
Tema 5.
Perspectiva histórica

25. Perspectiva histórica

26. Los datos sobre 250 emplazamientos caracterizados indican
que:
- La práctica totalidad de los emplazamientos no cumplen las
exigencias legales, siendo el acceso libre en el 59 % de los
mismos.
- El 27 % de los emplazamientos se sitúa en suelo urbano,
el 26 % en suelo no urbanizable, el 21 % en suelo no urbanizable
protegido, el 14,5 % en suelo sin planeamiento y el 11,6 % en
suelo urbanizable programado, estando la mayoría (27 %) muy
próximos a cascos urbanos (menos de 100 metros) e incluso
dentro de ellos, y tan solo el 17 % a más de 2 kilómetros.
Perspectiva histórica

27. - El riesgo de contaminación de las aguas subterráneas
es alto en el 60 % de los emplazamientos, ya que se sitúan
en terrenos de permeabilidad media o alta. En cuanto al grado
de afección de las aguas superficiales, puede estimarse
igualmente alto ya que casi el 50 % de los mismos se
encuentran a menos de 50 metros del cauce.
- En cuanto a los contaminantes analizados en suelos
mayoritariamente figuran metales pesados, aceites
minerales, hidrocarburos, particularmente los aromáticos
(BTEX) y fenoles, y algunos muy tóxicos como DDT,
PCB's, arsénico y mercurio.
Perspectiva histórica

28. Suelos contaminados. Catalunya 2011

29. Suelos contaminados. Catalunya 2011

30. Suelos contaminados. Catalunya 2011

31. Suelos contaminados. Catalunya 2011

32. Suelos contaminados. Catalunya 2011

33. (Geographical coverage: Austria, Belgium, Bulgaria, Croatia, Czech Republic, Denmark, Estonia, Finland, France, Germany, Greece, Hungary,
Ireland, Italy, Latvia, Lithuania, Luxembourg, Malta, Netherlands, Romania, Serbia, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Turkey, United Kingdom)
Numero de suelos contaminados en Europa (2006)
EEA: European Enviroment Agency. (2007)
Suelos contaminados

34. Suelos contaminados en Europa (2006)
Actividades humanas que
generan contaminación
EEA: European Enviroment Agency. (2007)

35. Progress in the management of
contaminated sites between 2006
and 2011,
expressed per management step
and against established targets
where relevant
site identification
preliminary survey
main site investigation
remediation measures
Consens EU:
Prohibició d’anular
sòls reutilitzables

36. Priority and emerging contaminants
• Priority contaminants
- Presence in the environment regulated by legislation
- Usually toxic, persistent and bioaccumulables
CERCLA Priority List of Hazardous Substances
(http://www.atsdr.cdc.gov/SPL/index.html):

37. Priority and emerging contaminants
• Priority contaminants
- Presence in the environment regulated by legislation
- Usually toxic, persistent and bioaccumulables
• Emerging contaminants
- Non-regulated
- Widely distributed into the environment
- High consumption and production: continuous release
- Difficult to assess ecotoxicological effects

38. 38
• Emerging contaminants
- Chloroalkanes (chlorinated paraffins)
- Brominated flame retardants.
Tetrabromine Bisphenol A
Hexabromocyclodecane
Polybrominated diphenyl ethers
- Pesticides
N
CH2CH3CH2CH3
COCH2ClCH3OCH2
N
CH2CH3CH2CH3
COCH2SO3HCH3OCH2
Alachlor Ethane sulphonic acid
Ex:
Ex:
Ex:

39. - Perfluorinated compounds
- Drugs of abuse:
Perfluorooctane sulfonate Perfluorooctanoic acid
• Emerging contaminants

40. 40Radjenovic et al. 2007 Anal Bioanal Chem 387(4):1365-137
- Pharmaceuticals and Personal Care Products (PPCPs)
• Emerging contaminants

41. 41

42. 42
- Pharmaceuticals
• Antibiotics:
Possible occurrence and spread of antibiotic-resistant bacteria.
e.g. the case of diclofenac
• X-ray contrast media
• Citostatics
Priority and emerging contaminants
• Estrogens:
• Analgesic/anti-inflammatories:

43. Tecnologies de tractament de sòls contaminats

44. Tecnologies de tractament de sòls contaminats

45. Clasificació dels Tractaments
Tratamientos ex situ Tratamientos in situ
 Térmicos
Desorción térmica
Incineración
 Fisico -químicos  Fisico -químicos
Extracción con disolventes Extracción con disolventes
Lavado Lavado
Oxidación-reducción Oxidación-redicción
Deshalogenación química Electrorecuperación
Solidificación/Estabilización
 Biológicos  Biológicos
Biopilas Bioremediación
Biodegradación en reactor Fitoremediación

46. Tratamientos utilizados en Europa:
EEA: European Enviroment Agency. (2007)
La mayoria son
tratamientos ex
situ
Tecnologies de tractament de sòls contaminats

47. Actualmente se utilizan tratamientos fisico-químicos porque son
los mas conocidos:
Se podrian combinar con la Bioremediación para optimizar la
descontaminación de los suelos y para utilizar menos las
tecnologias ex-situ.
Les técnicas a aplicar se eligen en función de:
- El objectivo que queremos descontaminar
- El grado de descontaminación que queremos alcanzar.
- Las caracteristicas de la matriz (suelo, aguas, mar,
sedimentos, etc)
Tecnologies de tractament de sòls contaminats

48. DIAGRAMA ZONAS DEL SUELO
Zona no
saturada(Vadosa):
P<Patm. La poca agua
que hay se mantiene por
tensión superficial.
Nivel freático: P=Patm
Zona saturada: P>Patm.
Es donde el agua queda
retenida llenando los
poros entre las rocas.

49. Pump-and-treat
Injecció d’aire
Rentat del sòl
Catàlisi química ‘in situ’: Barreres reactives
Tecnologies de tractament de sòls contaminats
Tractaments fisico-químics i tèrmics

50. Pump-and-treat
Proceso de extracción del agua subterránea mediante
bombas situadas en pozos de extracción, para su
posterior tratamiento ‘ex situ’.
Una vez tratada el agua puede ser reinyectada en el
acuifero o vertida en otro medio acuoso.
Se utilitza para
extraer
contaminantes
disueltos en el agua
subterránea y es
adecuada para
extraer
contaminantes con
alta solubilidad en
agua y baja afinidad
de adsorción al suelo.

51. GW Pump & Treat: Well Installation
GW Remediation Options
Recovery Well
Installation
Well Screen
Centralizer
Driller’s Knee
Driller’s Helper
Sand-Gravel
Filter Pack
Wire-Wrapped
Well Screen

52. Injecció d’aire i Extracció Solid-Vapor
Permite reducir la concentración
de contaminantes volátiles en
la zona saturada (Air
sparging) o en la zona no-
saturada (Extracción Sólido-
Vapor -SVE).
Air-sparging se utiliza para
descontaminar agua
subterránea, al mismo tiempo
que la extracción sólido-vapor
sirve para tratar el suelo.
Muy utilizada para remediar
suelos contaminados por escapes
de gasolineras (BTEX), PCE, TCE,
etc

53. Soil Vapor Extraction
Blower or
Vacuum
Pump
Vapor
Treatment
System
(Where Required)
Air / Vapor
Manifold
Clay
Grout Seal
Sand Pack
Affected Soils
Water Table
Screen
Active Engineered Remedies
Air vacuum
extracts
volatile
contaminants
from
affected
soil.

54. Soil Vapor Extraction: Applicability
Likelihood of
Success
104
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
Source: CDM, 1988
COC
Vapor Pressure
(mm Hg)
Butane
Benzene
Xylene
Aldicarb
Soil Air
Permeability
HIGH
(Coarse Sand /
Gravel)
MEDIUM
(Fine Sand)
LOW
(Clay or Silt)
Active Engineered Remedies
Very
Likely
Somewhat
Likely
Less
Likely

55. Injecció d’aire i Extracció Solid-Vapor

56. Soil Vapor Extraction (SVE) System
at Former Gasoline Station
Remedial Action: Soils
SVE Wells
and
Collection
Headers
Vapor
Treatment
System

57. Rentat del sòl
ex situ

58. Rentat del sòl
in situ

59. Catálisis química ‘in-situ’
Permeable Reactive Barriers (PRB)
El objectivo de la catálisis química es transformar los contaminantes en
productos no peligosos para el medio ambiente mediante el uso de
substancias químicas, normalmente oxidantes:
-La manera mas efectiva es utilizando radicales (OH·), reactivo Fenton,
etc
- Oxidantes como el peróxido de hidrógeno (H2O2), el ozono (O3), y
el permanganato de potasio (KMnO4).
 Barreras reactivas para la remediación de aguas subterraneas
Para poder actuar,
los agents oxidantes han
de entrar en contacto con
los contaminantes, y el
contacto se encuentra
dificultado en suelos con
baja permeabilidad
slurry
wall
Affected GW zone

60. Permeable Reaction Walls
Ref: Gillham
Funnels Dissolved Organics Through Reaction Wall
Funnel:
Impermeable
Barrier Wall
Gate: Permeable
Reaction Wall -
Fill With Iron
Filings
Funnel:
Impermeable
Barrier Wall

61. GW Containment: Physical Barrier
0’
35’
70’
DNAPL
Drinking Water
Aquifer
Unfract. Clay
Frac. Clay
Aquifers
Slurry
Wall
Slurry Wall
Well
tPi s
GW Remediation Options
Hydraulic Containment by Slurry Wall

62. Installation of
Bentonite-
Slurry
Barrier Wall
Remedial Action: Groundwater

63. FACTORS a tenir en compte per triar el millor
tractament:
• Hidrogeologia i Composició del sòl
• Tipus i concentració dels contaminants
• Ambient: oxigen, temperatura, ...
• Caracterització de la població microbiana
present
• Climatologia
• Zona urbana, rural, ...
Tecnologies de tractament de sòls contaminats
Consens EU:
Prohibició d’anular
sòls reutilitzables
Oportunitat per
a la
Bioremediació

64. Definitions and concepts
• Biodegradation and bioremediation
Degradation/RemediationBio
Method to FixMicrobial
 Bacteris
 Fongs
 plantes

65. És nova la utilització dels
microorganismes?
 NO: les plantes de tractament
d’aigües residuals es construeixen
des de fa molts anys i utilitzen
processos biològics de depuració.
 Les diferències o la novetat dels
processos de Bioremediació:
 El tipus de contaminants
 El suport en el que es troben aquests
contaminants.
 Les dimensions del problema.

66. Definitions and concepts
1848: Prior to the Asian cholera epidemic
of London, deaths due to environmental
contamination received little attention. Dr.
John Show demonstrates the connection
between fecal contamination and deaths
due to cholera.
Historical development of bioremediation:
Biodegradation and bioremediation

67. Definitions and concepts
1860: Pasteur provides the basis for the rational development
of environmental biotechnology and bioremediation.
1882: Dr. Angus Smith demonstrates that municipal
wastewater could be “stabilized” by aeration.
1914: Ardern and Lockett advanced this concept to develop
the activated sludge treatment process, which was first
used in Salford (England). It starts the development of
biological process to treat municipal wastewater.

68. 68
Definitions and concepts
1950s: Microbial infallibility hypothesis proposed by Gayle (1952),
borne out of aerobic lab studies: “For any conceivable organic
compound, there exists a microorganism that can degrade it under the
right conditions. If not, evolution and adaptation would produce such
strain”
1962: Rachel Carson “Silent Spring”. Research of the biodegradation of
synthetic organic chemicals present as “micropollutants” (i.e. herbicides,
pesticides, etc).

69. Definitions and concepts
1970s: Environmental statutes of unprecedent scope pass, and
regulatory pressure stimulates development of remediation
technologies.
1980s: Fundamental hydrogeologic and biogeochemical is needed
to successfully design and implement bioremediation systems.
Exxon Valdez oil spill in Alaska (1989)
1990s: many successful bioremediation technologies approaches are developed.
2000s: In situ bioremediation and monitored natural attenuation are widely accepted
as cost-effective cleanup alternatives for contaminated sites. Interest in
bioaugmentation grows.

70. 1. Definitions and concepts
2. Applying bioremediation

71. Applying bioremediation
Energy
Electron donor
Electron acceptor
[O2, NO3, SO4,
contaminant, etc.]
Waste Products
[CO2, N2, FeS2, Cl-
]
CC
Cl
Cl H
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Cl Cl
Cl
Presence of a
contaminant
Carbon source
[acetate, glucose,
etc]
+
+
Presence of
appropriate
microorganism
Metabolism
Growth
How Does It Work?

72. 72
Mineralization/Biotransformation
OH
Cl
Cl-
+ CO2
NO2
O2N
NO2
NH2
H2N
NH2
- Mineralization
Form of biodegradation that results in conversion of an organic molecule into its
inorganic constituents (e.g. CO2, H2O, SO4
2-
, PO4
3-
, NO3
-
, NH4
+
, Cl-
, etc).
- Biotransformation
Example: chlorophenol (pesticide)
Conversion of an organic molecule into non-inorganic constituents.
Example: trinitrotoluene to triaminotoluene.
Detoxification?

73. 73
Cometabolism/Metabolism
CH4 CO2
MMO
Cl O
+ Cl
-
• Cometabolism
Fortuitous degradation of a pollutant, often in the presence o a primary cosubstrate; the pollutant th
is cometabolized serves no metabolic purposes and the microorganism that degrade it do not benefi
from this reaction.
Ex: cooxidation of vinyl chloide by methane monooxygenase
• Metabolism
The pollutant can serve as carbon or energy source for the microorganism. The
degradation mechanism is growth-related.

74. Definicions
Bioremediació: La destrucció o transformació per
microorganismes de contaminants perillosos a compostos
menys perillosos; amb la finalitat de descontaminar (netejar) un
lloc contaminat (o efluent)
Bioremediacio de Intervenció Tècnica (Engineered
Bioremediation): La biodegradació o biotransformació s’estimula
per intervenció tècnica
Suministrar nutrients (p.e. N) i acceptors d’electrons (p.e. O2), en
alguns casos donadors d’electrons o cosustrats (bioestimulació)
Adición de surfactants per aumentar la biodisponibilitat
En alguns casos afegir microorganismes (bioaugmentació) per a
millorar la biodegradació

75. Definiciones
Bioremeiació Intrínseca: La biodegradació o biotransformació de
compostos perillosos sense intervenció tècnica. La tecnologia se limita al
monitoratge i prediccions del proces natural.
Atenuació Natural: El concepte de bioremeiació ampliat per a
incloure altres procesos naturals amés de la biodegradació
(dilució, adsorció, volatilització, reaccions químiques)
Normalment la biodegradació es detecta per diferents factors
independents
Els procesos de bioremeiació intrínsecs acostumen a ser
anaeróbis
Disminució de la concentració de contaminant
Canvi en concentracions d’acceptors d’electrons
Augment de la població microbiana responsable de la degradació

76. Bioremediació de Intervenció Tècnica
comparada amb Bioremediació Intrínseca

77. L’oportunisme:aaa
 Tenir els microorganismes adequats,
en el lloc adequat, en les condicions
ambientals adequades.

78.  Ha d’existir un organisme amb els enzims necessaris
per dur a terme la degradació del compost implicat
 Aquest organisme ha d’estar present en l’ambient en
el que trobem el compost.
 La substància química ha de ser accessible pel
microorganisme
 Si l’enzim és extracel.lular, els enllaços sobre el que
ha d’actuar han d’estar exposats al catalitzador
 Si l’enzim és intracel.lular la molècula haurà de
travessar la membrana cel.lular i penetrar en l’interior
 Les condicions ambientals han de ser favorables per
permetre el creixement i la proliferació dels
microorganisme.
Bioremediació Intrínseca

79. Biodisponibilitat
Raons de la Resistència a la Biodegradació
Toxicitat
Directament o per productes de biotransformació
Estructura Química
Reacció impossible termodinàmicament
No se forma enllaç entre l’enzim i sustrat (impediment estéric)
Masa gran
Baixa solubilitat aquosa
Adsorción a partícules del sòl
Absorció a líquids de fase no aquosos (NAPL)
Contaminació envellida (molt estable)

80. Factor Ambiental Limitant
Raons de la Resistencia a la Biodegradació
Microorganisme o Enzim
Competició amb Reacció Química
Polimerització oxidativa a compostos humics inerts
Concentració de sustrat (contaminant) masa baixa
Limitació de nutrients, vitamines, acceptor d’electrons o cosustrat
Condicions extremes de temperatura, humitat o pH
Biocatalitzador no existeix
No presencia previa de microorganismes en el lloc

81. La nostra contribució
donar esposta a
 Són els contaminants biodegradables?
 Poden dur a terme aquesta tasca els
microorganismes que ja hi ha en el medi?
 Amb quina velocitat?
 Què aconseguirem: productes finals,
concentracions finals?
 Es produeixen subproductes tòxics?
 Quines són les condicions òptimes pel
creixement dels microorganismes i per
maximitzar la seva activitat?
 In-situ, ex-situ?

82.  Caracterització microbiològica del
lloc: activitat microbiana, pH,
temperatura, nutrients inorgànics,...
 Biodegradabilitat del contaminant
Necessitem conèixer:

83.  Microorganismes:
Bacteris: estan més estudiats.
 Fongs.
 Enzims
 Factors abiòtics:
 Contingut en aigua
 Temperatura
 pH
 Presència de tòxics (metalls) o inhibidors
 Contingut en matèria orgànica
 Acceptors d’electrons
 Nutrients inorgànics (Nitrogen i fòsfor)
Necessitem conèixer:

84. Estratègies per augmentar la velocitat
de degradació
Bioestimulació
Promou el creixement dels microorganismes
indígenes per estimular la degradació del
component.
Bioaugmentació
Introducció de microorganismes en l’àrea
contaminada, que tinguin la capacitat de
degradar els contaminants.

85. Bioestimulació
Si la població microbiana indígena té la capacitat de
degradar els contaminants, però les velocitats naturals
de biodegradació no son adequades
es pot utilitzar la bioestimulació
En aquests casos, es dona que , existeix una població
degradadora natural però que les condicions ambientals
no son adequades per a l’activitat microbiana.

86. Bioaugmentació
És el procés d’introduir microorganismes
seleccionats per a realitzar una tasca
determinada, tal com degradar un o mes
contaminants.
Els microorganismes introduïts augmenten la
població indígena, d’aquí el terme
bioaugmentació, però en altres casos també
s’introdueixen d’altres.
 Promou la competició entre la microflora
autòctona i la introduïda.
 Cal crear les condicions ambientals per afavorir la
competició dels microorganismes introduïts.

87. Bioaugmentació
La pràctica de la bioaugmentació no és nova.
La bioaugmentació es normalment utilitzada en la
posada en marxa dels sistemes de tractament
d’aigües residuals industrials, desprès d’una
aturada, o per a millorar el rendiment del
tractament.
No obstant, l’addició de microorganismes al medi
ambient per a facilitar la biodegradació es per el
moment encara un mètode experimental i
controvertit, sobretot si es tracta “d’altres”
microorganismes que no es troben en l’àrea en
concret que cal descontaminar.

88. Bioaugmentació
La bioaugmentació és una eina apropiada per a
algunes situacions però no per totes.
S’ha utilitzat la bioaugmentació en el tractament de
sòls contaminats quan:
 els contaminants son resistents a la biodegradació
per la microflora indígena
 per al tractament de compostos que son
degradats molt lentament, inclús en condicions
òptimes.
 quan la concentració del contaminant es tòxica
per a la microflora indígena.
 desprès d’un vessament químic , quan el medi ha
quedat esterilitzat.

89. In-situ-Bioremediation
 Biostimulation
(stimulates biological
activity)
 Bioventing (Inject
air/nutrients into
unsaturated zone –
good for midweight
petroleum, jet fuel)
 Biosparging (Inject
air/nutrients into
unsaturated and
saturated zones)
 Bioaugmentation
(inoculates soil with
microbes)
Less expensive
• Creates less dust
• Less possibility of contaminant
release into environment
• Good for large volumes
• Slower
• Doesn’t work well in clays or highly
layered subsurfaces

90. In Situ Bioremediación
Pozo de
inyección Pozo de
extracción
Nivel de
agua
subterránea
Flujo de agua subterránea
Bomba Tanque de mezcla
Nutrientes, aire y/o
aceptor de electrones
alternativos
Tratamiento
de agua
Descarga
Deposito subterráneo con
fuga

91. In-situ: Bioventilación

92.  Extensió del sòl sobre el terreny per obtenir la major superfície possible
que facilite la captació d’oxigen
 Oxigenació del sòl usant aratges periòdics. Possibilitat de bioestimulació
(conreu amb nutrients).
In Situ Bioremediación: Land farming

93.  Aeració i nutrients
 Aratge (llaurar)
 evitar compactació
 Mantindre humitat sòl
(Δactivitat bacteriana)
 Suministrar fertilitzants
d’alliberació lenta (P i N)
In Situ Bioremediación: Land farming

94. In-situ/ex-situ: Pila Biológica

95. In-situ: Barrera Biológica

96.  Membranes d’ions zero-
valents que permeten el
pas d’aigua però no del
contaminant
 Tractament d’aquífers:
evitar dispersió
 Contribució física: filtre,
precipitació
 Contribució biològica:
superfície per al creixement
bacterià, es pot afegir
nutriants, oxigen,
In-situ: Barrera Biológica

97. Ex-situ -Bioremediation
 Slurry-phase
 Soil combined with
water/additives in tank,
microorganisms, nutrients,
oxygen added
 Solid-phase
 Land-farming: soil put on pad,
leachate collected
 Soil biopiles: soil heaped, air
added
 Composting: biodegradable
waste mixed with bulking agent
 Land Applied – waste added
directly to soil which is later
planted to a crop.
•Easier to
control
•Used to treat
wider range of
contaminants
and soil types
•Costly
•Faster

98. Applying bioremediation: Bioaugmentation
Bioaugmentation
• Addition of biocatalysts (generally bacteria, but it also could involve the addition of fungi or
enzymes) to degrade target compounds, either in situ or ex situ.
• Microorganisms are not present
• Microorganisms are present but they do not
degrade the contaminant at reasonable rates or
the transformed products are toxic.
When?
• Some environmental factors influencing bioaugmentation success:

99. Applying bioremediation: Bioaugmentation
• Examples of commercially available bioaugmentation inocula

100. Applying bioremediation: Bioagmentation
Example of in situ bioaugmentation:
Source: http://www.siremlab.com
- Groundwater contaminated with trichloroethylene (TCE).
- Commercial inoculum (KB-1) of anaerobic dechlorinating bacteria (Dehalococcoides).

101. Applying bioremediation: Bioaugmentation
Selection of microbial inocula for bioaugmentation:
a) Pure microbial strain from a collection versus consortia:
 “Natural” are better than “artificial” strains in supporting harsh conditions.
 Consortia are more efficient than pure strains in terms of global survival and whole
degradation of complex molecules and mixture of pollutants (syntrophy)
• Intermediates of catabolic pathways of one strain may be further degraded
by other strains possessing suitable catabolic pathways
• Provides benefits to the bioremediation (i.e. biosurfactant-producing bacteria,
protection against oxygen for anaerobic bacteria, etc)

102. 102
2. Applying bioremediation: Bioaugmentation
Summary of 1,1,2,2,-tetrachloroethane dechlorination pathways and
organisms in the WBC-2 consortium.
Mancehester et al. Appl. Environ. Microbiol. 2012, 78(15):5280.

103. b) Enrichment of target microorganisms
Applying bioremediation: Bioaugmentation
1) Sampling
2) Inoculation in an anaerobic chamber
3) Preparation of microcosms
with anaerobic medium
containing different inhibitors
and the target contaminant
4) Test for biodegradation activity
5) Optimization of
growth parameters
6) Production in high-
capacity bioreactors
Example of enriching anaerobic reductive dechlorinating bacteria from groundwater:
- The optimal way is to enrich samples from the contaminated site.

104. 104
Applying bioremediation:Biostimulation
3. Biostimulation
Correct microbes are present to break down the target contaminant but the
environment is modified to stimulate them (e.g. the addition of specific nutrients
oxygen/air, temperature, pH, water content, bioavailability…).

105. 105
Modifying the redox state of the environment
Aerobic Anaerobic
Decreasing amount of energy released during electron transfer

106. 106
Applying bioremediation: Biostimulation
CaO2 + 2H2O → ½ O2↑ + Ca(OH)2 + H2O
• Enhanced aerobic bioremediation: supply of oxygen (electron
acceptor).
- Groundwater: i.e. addition of CaO, MgO etc through the wells.
See case studies in: https://www.regenesis.com/regenesis-resource-
center/case-studies/
ORC powder in drums
Composition :
Calcium Oxyhydroxide [ CaO(OH)2 ]
Calcium Hydroxide [Ca(OH)2]
Calcium Carbonate [CaCO3]
Mixed with water to form
an injectable SLURRY
Commercial formulations, for example ORC Advanced from Regenesis:
Direct-injection using a
pump

107. 107
Applying bioremediation: Biostimulation
• Enhanced aerobic bioremediation: supply of oxygen (electron
acceptor).
- Soil:
Forced aeration systems: oxygen is
supplied by a system of blowers and
perforated pipesMechanically, by turning the soil with
a front-end loader

108. 108
Applying bioremediation: Biostimulation
• Enhanced anoxic bioremediation: supply of nitrate, sulfate, Fe (III) etc
as electron acceptor.

109. Nutrient amendment: addition of nutrients to enhance
biodegradation.
Applying bioremediation:
Biostimulation
For example:
Enhancement of oil biodegradation in marine shorelines by
promoting the growth of some bacterial oil degraders: Alcanivorax,
Cycloclasticus, Marinobacter, Neptunomonas, etc.
Conversion of 1 g oil into cellular material requires 150 mg N and 30 mg P,
so the ratio C:N:P must be 100:5:1.

110. 110
 Surfactant addition:
• Increase the bioavailability of organic contaminants by emulsifying,
solubilizing,
and partioning the contaminant between phases. Detergents and alcohols.
• Chemicals/biosurfactants (Glycolipids, lipopolysaccharides, oligosaccharides,
and lipopeptides,
produced by diverse bacterial
genera).
Applying bioremediation
When the contaminants are…
•Sorpted into the soil matrix
•Micropore exclusion
•Low solubility of contaminant (NALP)
See overview in: Souza et al. 2014. Intern. Biodet & Biodeg 89:88-94.

111. 111
 Surfactant addition:
Some limitations:
Applying bioremediation
• The surfactant might be used as growth substrate by microorganisms in preference
to the contaminant.
• Possible inhibition effect for some strains
• Loss of surfactant and their effectiveness , as a result of sorption (especially in clay
soils), and precipitation.

112. FITOREMEDIACIÓ
is an emerging technology which uses
plants and their associated
rhizospheric microorganisms to
remove, degrade, or contain
chemical contaminants located in
the soil, sediments, groundwater,
surface water, and even the
atmosphere.

113. Types of Phytoremediation

115. Types of Phytoremediation

116. Phytoremediation
Soil Remediation (Schnoor, 2002)
Application Description Contaminants Types of Plants
Phytotransformation Sorption, uptake, and
transformation of
contaminants
Organics, including
nitroaromatics and
chlorinated
aliphatics
Trees and grasses
Rhizosphere
Biodegradation
Microbial
biodegradation in the
rhizosphere
stimulated by plants
Organics; e.g.,
PAHs, petroleum
hydrocarbons,
TNT, pesticides
Grasses, alfalfa, many
other species
including trees
Phytostabilization Stabilization of
contaminants by
binding, holding soils,
and/or decreased
leaching
Metals, organics Various plants with
deep or fibrous root
systems
Phytoextraction Uptake of
contaminants from
soil into roots or
harvestable shoots
Metals, inorganics,
radionuclides
Variety of natural and
selected
hyperaccumulators,
e.g., Thalaspi,

117. Example root depths (EPA, 2000)
Eastern gamagrass

118.  Contaminant Uptake Rate and
Clean-up Time
 Irregation, Agronomic Inputs and
Maintenance
 Disposal Considerations
Technology Selection and Design

119. plant
grown
Ni Au Cu Pd
2+ 2+2+
+
The phytoextraction operation
Plant
material harvested
and burnt to metal
recovery
Phytomining

120. The location: a base-metal smelter,
South Africa
The solution: phytoextraction using
a native nickel-accumulating species
The problem: Ni contamination over
5ha due to Ni salt storage and spillage
Exemple: Phytoextraction

121. Conclusions
 Phytoremediation is land-management
technology
 Where suitable, phytoremediation is a
low-cost, sustainable solution for
contaminated land and waste-streams
 Making the technology work relies on
the ‘intelligent’ synergy of botany,
microbiology and geochemistry
 Revegetation, land stabilisation and
phytoextraction are all working
scenarios of phytoremediation

122. When to use phytoremediation:
 Phytoremediation, will only be used for
land clean-up and management IF the
technology will deliver the most
economically favourable outcome
 The suitability of phytoremediation is
thus dependant upon economics

123. Situació actual Fitoremediació
 En 1998 la European Environmental Agency
va estimar un total de 1.400.000 llocs
contaminats en Europa de l’Est que podrien
ser bioremeiats per fitoremeiació
 Una comparació dels costos econòmics
entre els processos convencionals FQ i la FR
son favorables a la ultima. Alguns estudis
donen un cost per a la FR d’entre 10 a 1000
vegades menor.
 Des d’el període 1998-2000 a 2005 el
mercat de la FR en USA a augmentat de
16-29 milions de dollars a 214-370 milions.

124. Advantages of bioremediation:
a) Cleanup occurs in situ, which eliminates hazardous waste transport
and liability costs.
Percentage distribution of common remediation
technology used decontamination of polluted
soil and groundwater:
Pandey et al. 2009 FEMS Microbiol Rev 33:324-375

125. Costs of alternative methods to treat soil
contaminated with hazardous wastes:
Alvarez and Illis, 2006
Advantages of bioremediation:

126. Advantages of bioremediation:
b) Organic hazardous can be destroyed (e.g. converted to CO2, H2O, and mineral salts)
rather than transferred from one phase to another.
c) Minimum land and environmental disturbances
d) Can attack hard-to-withdraw hydrophobic pollutants.
e) Environmentally sound with public acceptance.
f) Dues not dewater the aquifer due to pumping
g) Can be used in conjuction with (or as follow up to) other treatment technologies.
Disadvantages of bioremediation:
a) Certain wastes, such as heavy metals, are not eliminated by biological processes (although many metals can be bioreduced or biooxidized to less toxic
and less mobile forms).
b) It may require extensive monitoring.
c) Requirements for success and removal efficiency may vary considerably from one site to another.
d) Some contaminants can be present at high concentrations that inhibit microorganisms.
e) There is a risk for accumulation of toxic biodegradation products.

127. Situació actual
El punt crític en la utilització de la
Bioremediació és el TEMPS
Actualment no hi ha presa!
Crisis construcció Oportunitat
Bioremediació
Per eliminar/degradar contaminants a molt baixes
concentracions són les tecnologies més adequades
Per degradar contaminants en condicions anaeròbies
Per algunes aplicacions, com es la neteja de sols
contaminats per metalls, aquest no es un gran inconvenient
ja que la persistència es de molts anys per tant es poden
utilitzar estratègies de neteja llarg plaç (Fitoremediació)

128. GRÀCIES,
alguna pregunta?
Teresa Vicent
Departament d’Enginyeria
Química