Production of Palladium nanoparticles in a microbial consortium for the reduction of 3,5,6-trichloro-2-pyridinol, metabolite of the insecticide Chlorpyrifos

Abstract

"El 3,5,6-tricloro-2-piridinol (TCP) es el metabolito más tóxico del insecticida organofosforado clorpirifos (CP), que genera una contaminación generalizada de suelos y cuerpos acuáticos, lo cual suscita preocupación por su dispersión en el medio ambiente y la necesidad de tratamiento. Una alternativa prometedora para reducir este contaminante es el uso de catalizadores a base de paladio (Pd), que pueden activar el hidrógeno (H2) para promover la reducción de TCP. En el presente estudio, se realizaron diversas configuraciones bióticas y abióticas de microcosmos utilizando H2 y glucosa como donadores de electrones para promover la reducción microbiológica de Pd(II). Asimismo, se probaron siete tipos de configuraciones de microcosmos con H2, glucosa y con o sin Pd(II) con sus respectivos controles como catalizadores para lograr la reducción de TCP. Los resultados obtenidos en la producción de nanopartículas (NPs) de Pd indican que el microcosmo biótico que contenía Pd(II), y glucosa como donardor de electrones tuvo una reducción de Pd(II) mayor al 99% en un periodo de 24 horas de incubación. Es probable que este efecto se deba a la presencia de bacterias fermentativas que produjeron H2 mediante la fermentación de glucosa que favoreció la producción de NPs de Pd. Al final del periodo de incubación, aparecieron materiales negros en el fondo de los microcosmos inoculados y no inoculados, lo que indicó la precipitación de Pd, lo cual fue posteriormente verificado por espectroscopía de rayos X. Por otro lado, los resultados de la cinética de remoción de TCP mostraron que el microcosmo que contenía una comunidad microbiana y glucosa como donador, pero sin presencia de Pd, logró una remoción del 100% del contaminante en un periodo de 24 horas, con una tasa de reducción de 0.44 TCP/L-h. En contraste, el microcosmo biótico que contenía H2 como donador, pero no catalizador, solo logró una reducción del 5.39 ±3.5% de TCP con una tasa de reducción de 0.02 mg TCP/L-h. Estos resultados sugieren que la presencia de TCP, conocido por sus propiedades antimicrobianas, pudo haber afectado la capacidad de los microorganismos para llevar a cabo la reducción del contaminante, particularmente cuando no se tenían las NPs de Pd como catalizador. El análisis de la comunidad bacteriana de los microcosmos inoculados demostró que, independientemente de la presencia o ausencia de TCP, los filos Proteobacteria a nivel de género Azospira y Thauera estuvieron presentes con una abundancia relativa superior al 4%. El género Clostridium, encontrado en el microcosmo biótico con Pd(II), y glucosa como donador de electrones, representó el mayor porcentaje de bacterias reportadas (58.1%). No obstante, su abundancia relativa disminuyó en los experimentos de reducción de TCP debido a los efectos inhibitorios del contaminante."

"3,5,6-trichloro-2-pyridinol (TCP) is the most toxic metabolite of the organophosphate insecticide chlorpyrifos (CP), which generates widespread soil and aquatic pollution, raising concerns about its environmental dispersion and the need for treatment. A promising alternative to reduce this contaminant is the use of palladium (Pd)-based catalysts, which can activate hydrogen (H2) to promote TCP reduction. In this study, different biotic and abiotic microcosm configurations were used with H2 and glucose as electron donors to promote microbial Pd(II) reduction. Additionally, seven types of microcosm configurations with H2, glucose, and with or without Pd(II) with their respective controls were tested as catalysts to achieve TCP reduction. The results of Pd nanoparticles production showed that the biological microcosm containing Pd(II) and glucose had a removal greater than 99% in reducing Pd(II) in a 24-hour incubation period. This effect is likely due to the presence of fermentative bacteria that produced H2 through glucose fermentation, which favored Pd nanoparticles production. At the end of the incubation period, black materials appeared at the bottom of both inoculated and non-inoculated microcosms, indicating the precipitation of Pd, which was further verified by X-ray spectroscopy. Besides, the results of TCP removal kinetics showed that the biological microcosm with glucose as an electron donor but no Pd, achieved 100% removal of the contaminant in a 24-hour period, with a reduction rate of 0.44 TCP/L-h. In contrast, the biological microcosm containing H2 as a donor and microorganisms but no catalyst, only achieved a reduction of 5.39 ±3.5% of TCP with a reduction rate of 0.02 mg TCP/L-h. These results suggest that the presence of TCP, known for its antimicrobial properties, may have affected the ability of microorganisms to carry out TCP reduction specially when lacking the nanoparticles Pd catalyst. Analysis of the bacterial community of all inoculated microcosm showed that regardless of the presence or absence of TCP, the Proteobacteria phyla for the Azospira and Thauera genus levels were present with a relative abundance greater than 4%. The Clostridium genus, found in the biological microcosm with Pd(II) and glucose as electron donor, represented the highest percentage of reported bacteria (58.1%). However, its relative abundance decreased in TCP reduction experiments due to the TCP inhibitory effects."