Intervento pilota di bioremediation di 1,2-dicloroetano nella zona industriale di Ferrara

Transcript

1 Intervento pilota di bioremediation di 1,2-dicloroetano nella zona industriale di Ferrara G. Carpani, F. de Ferra, R. Bagatin, G. Bianchi, A. Bigo, L. Zaninetta 21 settembre 2017

2 Identificazione area Zona 8 Area PZPEC023 Zona 8 Area PZPEC023 Zona 8 Area PZPEC023 Concentrazioni in falda: Fino a ~5-6 g/l 1 1,2 - DCA Assenza DNAPL in piezometri esistenti

3 Scopo del test Verificare la possibilità di accelerazione del processo naturale di biodegradazione dell 1,2-dicloroetano attraverso la somministrazione di ammendanti che stimolino la flora microbica locale (Enhanced In Situ Bioremediation, EISB). 1,2-dichloroethane ethylene E stato dimostrato in laboratorio che i batteri presenti nel sito degradano l 1,2- DCA attraverso un processo di DIALOELIMINAZIONE, ovvero distacco simultaneo dei due clori, evitando la formazione di Cloruro di Vinile Vinyl chloride 2

4 DCA (%) Attività sperimentali su acque da PZPEC023 SALI SIERO DI LATTE EFFETTO AMMENDANTI SUL CONSUMO DI 1,2-DCA FORMIATO LATTATO CONTROLLO sup ABIO ppm 1,2-DCA sup F 16sup A 16sup tq tempo (giorni) 16sup L tempo (gg) Identificato in laboratorio lattato di sodio come fonte di carbonio + sali (Ca, Mg, P). 3

5 concentrazione (ppm) Sperimentazione di laboratorio Consumo ppm DCA pz16 con BTZ ridotto conc (ppm) Controllo (BTZ completo ph7,5) 16 - NO VIT 16 - No Trace Metals tempo (gg) Da esperimenti in microcosmo abbiamo dimostrato che il Lattato è il miglior ammendante; allo stesso modo i nutrienti (Sali ed oligoelementi, ma soprattutto vitamine) sono altrettanto importanti per l attività dei microorganismi dealogenanti 500 Time-course Pz8 in Sali+Lattato-Consumo microcosmi a diverse DCA concentrazioni (ppm) di 1,2- DCA SALI + LATTATO V max = 70 ppm 1,2-DCA degradate/giorno N.B. in condizioni controllate (ph, temperatura) e in microcosmi selezionati dopo diversi trasferimenti (arricchimento) tempo (gg) 4 8SL 50ppm 8SL 100ppm 8SL 250ppm 8SL 500ppm

6 Obiettivi Test pilota Verifica in campo del processo di declorazione anaerobica riduttiva evidenziato in laboratorio sulle acque di falda prelevate dal sito Valutazione dell efficacia in campo del substrato selezionato nelle prove di laboratorio Ottimizzazione del sistema di distribuzione del substrato 5

7 Time line delle attività 23/03/ /04/2015 Allestimento del test pilota Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre. Novembre Baseline (acque) 1 iniezione + test traccianti 2 iniezione Monitoraggio (quindicinale, 6 campagne) Monitoraggio mensile Nuova iniezione (ammendante a lento rilascio) 6

8 Allestimento modulo pilota PCsup6Bis MIPRE PCsup8 PCsup16 Punti iniezione 8x (PI1 8) 1 1/2 in acciaio Fenestratura per 1m nell acquifero Conf. Sup. Punti monitoraggio 14x (PM1 14) 3 in HDPE Fenestratura per tutto l acquifero Conf. Sup. 7

9 Iniezione: operazioni in campo Misura dei livelli idrici manuale e in continuo Misura di portate e pressioni d iniezione 8 Elaborazione in tempo reale dei dati Prova di tracciamento in continuo

10 Analisi microbiologiche e molecolari durante prova pilota Analisi 1,2-DCA ed etilene (HS-GC) Estrazione, purificazione e quantificazione di DNA dalla biomassa Analisi DNA Test di attività dealogenante in microcosmi Elaborazione dati/calcoli attività 9

11 Estrazione dei campioni ed analisi Campionamento immediato ANALISI ISOTOPICHE SPME C C IRMS CSIA ANALISI MICROBIOLOGICHE ANALISI MOLECOLARI ANALISI CHIMICHE 10

12 Analisi microbiologiche: test di attività dealogenante in microcosmi Microcosmi allestiti dalle acque della 9 campagna Test in microcosmo sulle acque prelevate durante la nona campagna di monitoraggio: Tal quali; Addizionate di miscela di Sali e oligoelementi; Addizionate di Lattato; L addizione di nutrienti o donatori di elettroni è in grado di accelerare nuovamente l attività ove questa sia rallentata. Sarebbe quindi opportuno proseguire con le iniezioni per mantenere un elevata velocità di degradazione nel tempo* *o, in alternativa, utilizzare composti a lento rilascio 11

13 Analisi chimiche: Monitoraggio di 1,2-dicloroetano PM01 Nessun incremento di CVM PM02 PM03 PM09 PM08 PM07 PM04 PZ16sup PM10 PZ08sup PM06 PM05 PM14 C2 PM11 C3 C4 C PM12 PM13 LINEA DI TENDENZA Iniezioni di Lattato C6 C7 C8 ppm 1,2-DCA 1400 C Iniezione di 3D-Me C10 C12 C15 C14 PM PM02 PM03 PM09 PM08 PM07 PM04 PZ16sup PM10 PZ08sup PM06 campagne PM05 C16 C18 C19 C20 PM14 PM11 PM12 PM Livelli di 1,2-DCA nella zona del test pilota, in ppm (campagne di monitoraggio c2,3,4,5,6,7,8,9,10,12,14,15, 16,18,19,20) da analisi Surfer v13. I punti indicati corrispondono ai 16 piezometri monitorati. I valori di concentrazione di DCA sono riportati in scale a destra di ogni grafico e sono normalizzati tra di loro.

14 Monitoraggio 1,2-dicloroetano sui piezometri centrali pz8 sup ppm 1,2-DCA ppm 1,2-DCA pz16 sup

15 Analisi microbiologiche/molecolari: specie batteriche presenti DGGE campioni da monitoraggio test pilota Ferrara PM02 PM05 L C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 L C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 L L - Popolazione anaerobica - Forte presenza di Geobacter, Desulfitobacterium Arcobacter sp. Geobacter sp. Clostridium sp. Geobacter sp. Shewanella sp. Geobacter sp. Clostridium sp. Bacillus sp. Desulfitobacterium sp. Geobacter sp. Bacteroides sp. Bacillus sp. A B C D E F G H L M N P R S Geobacter sp. Bacteroides sp. Alistipes sp. Aeromonas sp. Hydrogenophaga sp. 14

16 Monitoraggio delle specie attraverso sequenziamento Illumina Dechloromonas Mongoliitalea Arcobacter Acidovorax Desulfitobacterium Malikia Hydrogenophaga Desulfosporosinus Clostridium Anaerorhabdus Geobacter 15 PM02 PM04 PM10 PM13

17 Analisi molecolari: quantificazione del DNA durante il test 1,3 x 5,0 x 15 x 40 x 1 inj 2 inj Aumento della concentrazione batterica totale (rispetto ai livelli pre-iniezione): è massimo nella 6 campagna di monitoraggio rdh = reductive dehalogenase gene Aumento del marcatore specifico per l attività dealogenante (rispetto ai valori pre-iniezione) 16

18 Analisi molecolari: attività dei batteri dealogenanti Il batterio dealogenante La proteina dealogenasi catalizza la reazione di declorurazione da 1,2DCA a etilene Il gene rdh Il batterio dealogenante viene riconosciuto in modo specifico da sonde per il marcatore genico rdh della dealogenasi Quindi i valori dei livelli di dealogenasi rdh sono un indice della concentrazione dei batteri dealogenanti nell aquifero 17

19 Analisi molecolari: attività dei batteri dealogenanti Il batterio dealogenante La proteina dealogenasi catalizza la reazione di declorurazione da 1,2-DCA a etilene Il gene rdh Il batterio dealogenante viene riconosciuto in modo specifico da sonde per il marcatore genico rdh della dealogenasi Quindi i valori dei livelli di dealogenasi rdh sono un indice della concentrazione dei batteri dealogenanti nell acquifero 18

20 Analisi molecolari: attività dei batteri dealogenanti Il batterio dealogenante La proteina dealogenasi catalizza la reazione di declorurazione da 1,2-DCA a etilene Il gene rdh Il batterio dealogenante viene riconosciuto in modo specifico da sonde per il marcatore genico rdh della dealogenasi Quindi i valori dei livelli di dealogenasi rdh sono un indice della concentrazione dei batteri dealogenanti nell acquifero 19 Il picco della concentrazione media di dealogenasi si osserva dopo 9-11 mesi dalla 2 iniezione

21 ppm 1,2-DCA Degradazione e livelli di batteri dealogenanti nel tempo durante la prova pilota 2000 LINEA DI TENDENZA Iniezione di 3D-Me campagne 20 Il picco della concentrazione media di dealogenasi si osserva dopo 9-11 mesi dalla 2 iniezione (XV XVII campagna)

22 Analisi di fingerprinting isotopico: il rapporto isotopico 12 C/ 13 C La proteina dealogenasi catalizza la reazione di declorurazione da 1,2-DCA ad etilene Il gene rdh La reazione di declorurazione da 1,2-DCA ad etilene è leggermente più veloce su molecole di 1,2-DCA che contengono l isotopo più leggero degli atomi di carbonio 13 C dihaloelimination 13 C 1,2 dichloroethane (1,2 DCA) Ethene + HCl per cui in caso di biodegradazione il rapporto isotopico 12 C/ 13 C dell 1,2-DCA che rimane nell ambiente si sposta verso valori più arricchiti nell isotopo pesante ( 13 C) 21

23 Analisi di fingerprinting isotopico: il rapporto isotopico 12 C/ 13 C La proteina dealogenasi catalizza la reazione di declorurazione da 1,2-DCA ad etilene Il gene rdh La misura del segno isotopico del carbonio di 1,2-DCA indica il grado di biodegradazione anaerobica nell ambiente: più è negativo rispetto ad uno standard internazionale e più è leggero - più è biodegradato e più si sposta verso valori positivi Il rapporto isotopico di 1,2-DCA al progredire della biodegradazione si sbilancia a favore dell isotopo pesante: graficamente, il segno isotopico dell 1,2-DCA rimanente diventa meno negativo 22

24 Conc. (mg/l) δ13c ( ) Variazioni del segno isotopico del contaminante durante la prova pilota MEDIA dei valori di segno isotopico di 1,2-DCA nell acquifero 25000,0 5, ,0 0,0-5, ,0 Equazione di Rayleigh 10000,0-10,0 In collaborazione con Luca Alberti -15,0 Conc. 1,2-DCA Segno isotopico 5000,0 0,0 Tempo (dalla prima alla 18 campagna 25/7/2016 ) Il segno isotopico di 1,2-DCA del sito diventa meno negativo nel tempo, al progredire della biodegradazione -20,0-25,0 Dati elaborati da Massimo Marchesi e Ilaria Pietrini 23

25 Conclusioni I dati molecolari e isotopici raccolti durante le campagne di monitoraggio sono a supporto del concetto di una forte accelerazione dei fenomeni di biodegradazione naturale di 1,2-DCA nell acquifero superiore durante la prova pilota. L integrazione dei due approcci insieme ai dati chimici permette di costruire un quadro di riferimento puntuale sull andamento ed efficacia del trattamento. 24

26 25