Βιοαποικοδόμηση χλωριωμένων αλκοολών

Abstract

Aim of this work was the development of an environmentally friendly process for the degradation of the halohydrins 1,3-dichloro-2-propanol (1,3-DCP) and 3-chloro-1,2-propanediol (3-CPD). The ability of 75 bacterial strains to degrade 1,3-DCP and 3-CPD was investigated. Pseudomonas putida DSM 437 was selected as the most effective one. The ability of the selected microorganism to degrade different concentrations of 1,3-DCP or 3-CPD was further studied. The degradation percentages for 3-CPD were low (31,61% for initial 3-CPD concentration 500 mg.L-1). Concerning 1,3-DCP no degradation was observed at concentrations higher than 100 mg.L-1.Cells adapted to chloropropanols were harvested at the late exponential phase, re-suspended in buffer of smaller volume (compared to the initial culture) and used for the study of the kinetic parameters of the degradation of 1,3-DCP, 3-CPD and their mixture. In this case, degradation of 1,3-DCP was observed at every concentration tested (50-500 mg.L-1) whereas the degradation percentages of 3-CPD were increased. The maximum rate of 1,3-DCP degradation was found 2.78.10-6 mmoles.mg DCW-1 .h-1 and the respective rate for 3-CPD was 1.28.10-5 mmoles.mg DCW-1 .h-1. However, the affinity towards both halohydrins (Km) was practically the same. When mixture of the two compounds was used, decrease in the degradation rates of both compounds was observed but the kinetic model that describes the concurrent degradation could not be defined.Moreover, cell-free extracts were used in order the degradation kinetics to be studied and the metabolic pathway to be elucidated. When using cell-free extract, apparent vmax and Km values for 1,3-DCP were estimated at 9.61.10-6 mmoles.mg protein-1.h-1 and 8.00 mM respectively while for 3-CPD were 2.42.10-5 mmoles.mg protein-1.h-1 and 9.07 mM. GC-MS analysis of cell-free extracts samples spiked with 1,3-DCP revealed the presence of 3-CPD and glycerol, intermediates of 1,3-DCP degradation pathway according to the literature. The degradation rate of 1,3-DCP was decreased when ECH (the product of 1,3-DCP dechlorination) was added to the reaction mixture. 3-CPD degradation was also strongly inhibited by the presence of epichlorohydrin and in less extent by glycidol, intermediates of dehalogenation pathway. Additionally, the degradation rate of 3-CPD was decreased when 1,3-DCP was added in the reaction mixture showing a potential competition of both substrates for the same enzyme.Furthermore, 3-CPD biodegradation by Ca-alginate immobilized Pseudomonas putida cells was performed in batch system, continuous stirred tank reactor (CSTR) and a packed-bed reactor (PBR). Batch system exhibited higher biodegradation rates and 3-CPD uptakes compared to CSTR and PBR. The two continuous systems (CSTR and PBR) when compared at 200 mg/L, 3-CPD in the inlet exhibited the same removal of 3-CPD at steady state. External mass transfer limitations are found negligible at all systems examined since the observable modulus for external mass transfer Ω<<1 and the Biot number Bi>1. Intraparticle diffusion resistance has a significant effect on 3-CPD biodegradation in all systems studied but to a different extent. Thiele modulus was in the range of 2.5 in batch system but it was increased at 11 when increasing cell loading in the beads, thus lowering significantly the respective effectiveness factor. Comparing the systems at the same cell loading in the beads PBR is less affected by internal diffusional limitations compared to CSTR and batch system and as a result exhibited the highest overall effectiveness factor.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη μίας φιλικής προς το περιβάλλον διεργασίας για την αποτελεσματική αποικοδόμηση των αλοϋδρινών, 1,3-διχλωρο-2-προπανόλης (1,3-DCP) και 3-χλώρο-1,2-προπανεδιόλης (3-CPD). Οι συγκεκριμένες ενώσεις επιλέχθηκαν λόγω αφενός της επικινδυνότητας τους και αφετέρου λόγω της ευρείας παρουσίας τους σε βιομηχανικά απόβλητα.Μελετήθηκε η ικανότητα 75 βακτηριακών στελεχών να αποικοδομούν τις 1,3-DCP και 3-CPD. Από τα στελέχη αυτά επιλέχθηκε ως πιο αποτελεσματικό το βακτήριο Pseudomonas putida DSM 437. Ελέγχθηκε η ικανότητα καλλιεργειών του συγκεκριμένου μικροοργανισμού να αποικοδομούν διαφορετικές συγκεντρώσεις 1,3-DCP ή 3-CPD. Τα ποσοστά αποικοδόμησης για την 3-CPD ήταν χαμηλά (31,61% για αρχική συγκέντρωση 500 mg.L-1) ενώ για την 1,3-DCP δεν παρατηρήθηκε αποικοδόμηση σε συγκεντρώσεις μεγαλύτερες των 100 mg.L-1.Προσαρμοσμένα σε χλωροπροπανόλες κύτταρα συλλέχθηκαν στην ύστερη εκθετική φάση, επαναδιαλύθηκαν σε μικρότερο όγκο ρυθμιστικού διαλύματος (σε σχέση με την αρχική καλλιέργεια) και χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη των κινητικών παραμέτρων της αποικοδόμησης της 1,3-DCP, της 3-CPD και μίγματος αυτών. Στην περίπτωση αυτή, παρατηρήθηκε αποικοδόμηση της 1,3-DCP σε όλο το εύρος των συγκεντρώσεων που χρησιμοποιήθηκαν (50-500 mg.L-1) ενώ αυξήθηκαν τα ποσοστά αποικοδόμησης και για την 3-CPD. Ο μέγιστος ρυθμός αποικοδόμησης της 1,3-DCP υπολογίστηκε σε 2,78.10-6 mmoles.mg DCW-1 .h-1 ενώ ο αντίστοιχος για την 3-CPD ήταν 1,28.10-5 mmoles.mg DCW-1 .h-1. Στην περίπτωση του μίγματος παρατηρήθηκε μείωση του ρυθμού αποικοδόμησης της κάθε ένωσης χωριστά χωρίς να καταστεί δυνατή η εξαγωγή ενός κινητικού μοντέλου.Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε εσωκυτταρικό διάλυμα κυττάρων P. putida DSM 437 προσαρμοσμένων σε χλωροπροπανόλες για τον προσδιορισμό του μεταβολικού μονοπατιού που ακολουθεί η αποικοδόμηση καθώς και των κινητικών παραμέτρων. Σε δείγματα που προστέθηκε 1,3-DCP, μετά από 24h επώασης, ανιχνεύθηκαν 3-CPD και γλυκερόλη επιβεβαιώνοντας το προτεινόμενο από τη βιβλιογραφία μεταβολικό μονοπάτι. Η αποικοδόμηση της 3-CPD αποδείχτηκε ταχύτερη από αυτήν της 1,3-DCP με τις μέγιστες ταχύτητες να είναι 2,42.10-5 και 9,61.10-6 mmoles.mg πρωτεΐνης-1 .h-1, αντίστοιχα. Ο ρυθμός αποικοδόμησης της 1,3-DCP μειώθηκε παρουσία επιχλωρυδρίνης (του προϊόντος της αποχλωρίωσης της 1,3-DCP). Αντίστοιχα, παρατηρήθηκε μείωση του ρυθμού αποικοδόμησης της 3-CPD όταν προστέθηκαν επιχλωρυδρίνη ή γλυσιδόλη (ο προηγούμενος και ο επόμενος μεταβολίτης του μονοπατιού) στο διάλυμα της αντίδρασης. Μείωση του ρυθμού αποικοδόμησης της 3-CPD παρατηρήθηκε και όταν προστέθηκε 1,3-DCP στο μίγμα της αντίδρασης υποδηλώνοντας ενδεχομένως ανταγωνισμό των δύο υποστρώματα για το ίδιο ένζυμο. Τέλος, μελετήθηκε η αποικοδόμηση της 3-CPD από ακινητοποιημένα σε αλγινικό ασβέστιο κύτταρα P. putida DSM 437. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές διεργασίες: σύστημα διαλείποντος έργου με σφαιρίδια σε κωνικές φιάλες, συνεχής βιοαντιδραστήρας πλήρους ανάδευσης (CSTR) και βιοαντιδραστήρας σταθερής κλίνης (PBR). Το σύστημα διαλείποντος έργου παρουσίασε υψηλότερους ρυθμούς αποικοδόμησης από τα δύο συνεχή συστήματα. Στα συστήματα αυτά, παρατηρήθηκε ίδια αποικοδόμηση 3-CPD σε συνθήκες μόνιμης κατάστασης (συγκέντρωση 3-CPD στην είσοδο 200 mg.L-1). Οι περιορισμοί λόγω της εξωτερικής μεταφοράς μάζας ήταν αμελητέοι σε όλα τα συστήματα που εξετάστηκαν (Ω<<1 και Bi>1). Αντίθετα, η ενδοσωματιδιακή διάχυση είχε σημαντική επίδραση σε όλα τα συστήματα. Το μέτρο του Thiele κυμάνθηκε από 2,5 έως 11 στο σύστημα διαλείποντος έργου ανάλογα με το κυτταρικό φορτίο που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία των σφαιριδίων. Συγκρίνοντας τα συστήματα στο ίδιο κυτταρικό φορτίο, ο PBR επηρεάζεται λιγότερο από τους περιορισμούς στην εσωτερική διάχυση σε σύγκριση με τον CSTR και το σύστημα διαλείποντος έργου παρουσιάζοντας τον υψηλότερο συνολικό παράγοντα αποτελεσματικότητας.