Immobilization of humic substances on metal-oxides(nano) particles and their impact in redox processes.

Abstract

"Durante las dos últimas décadas se ha demostrado que el uso de sustancias húmicas (SH) y sus análogos (quinonas) pueden servir como mediadores redox (MR), acelerando la velocidad de reducción de diferentes contaminantes electrofílicos (CE) como colorantes azo, compuestos nitroaromáticos, compuestos polihalogenados y metaloides. Sin embargo, es necesario desarrollar estrategias apropiadas para lograr la inmovilización de MR a fin de erradicar el requisito de adicionarlos de manera continua en sistemas anaerobios de tratamientos de aguas residuales. En esta tesis se identifican y caracterizan SH extraídas de suelos y compostas de distintos sitios de México, a fin de seleccionar aquellas con apropiada capacidad de transferencia de electrones (CTE). Se utilizan partículas de óxidos metálicos (OM), a escala nanométrica y micrométrica, para inmovilizar las distintas SH seleccionadas a partir del proceso de caracterización. También se evalúa el impacto catalítico de las SH inmovilizadas durante la biotransformación de distintos CE, actuando como MR. Por último, se muestran los efectos toxicológicos de nanopartículas (NP) de óxidos metálicos cubiertas con SH sobre un consorcio anaerobio, considerando procesos relevantes como la metanogénesis y la reducción del humus; esto permitirá establecer las bases para la co-inmovilización de MR y microorganismos reductores del humus por medio del proceso de granulación. Los resultados mostrados en el capítulo 3 indican que existen fuentes apropiadas de SH para ser utilizadas como MR en sistemas de tratamiento de aguas residuales, de acuerdo a los valores de CTE observados en las muestras, lo cual depende de su origen. De igual forma se demostró que existen grupos funcionales presentes en las SH, distintos a los grupos quinona, que son capaces de participar en la transferencia microbiológica de electrones utilizando Geobacter sulfurreducens, lo que sólo había sido demostrado anteriormente por métodos químicos. A partir de este estudio de caracterización se seleccionaron dos muestras de SH que se utilizaron para ser inmovilizadas sobre partículas de OM a escala micrométrica (capítulo 4) y nanométrica (capítulo 6). En el capítulo 4 se estudia el impacto de SH, previamente inmovilizadas en micropartículas de alúmina, durante la deshalogenación reductiva de tetracloruro de carbono por un consorcio anaerobio."

"During the last two decades, evidence has been accumulated indicating that humic substances (HS) and quinoid analogues can act as redox mediators (RM), accelerating the reduction rates of different electron accepting contaminants (EAC) such as azo dyes, nitroaromatics compounds, halogenated solvents, and metalloids. Nevertheless, it is necessary to develop suitable strategies to immobilize RM in order to eliminate the prerequisite of their continuous addition in anaerobic wastewater treatments systems. In this dissertation HS extracted from soils and composts from different parts of Mexico were identified and characterized, in order to select those effective sources, considering their electron transferring capacity (ETC). Metal-oxides (MO) particles at nano- and micrometric scale were used to immobilize those HS selected from the study of characterization. Once immobilized, the catalytic effect of HS was tested during the anaerobic biotransformation of EAC, acting as solid-phase RM. Finally, relevant processes such as methanogenesis and humus reduction were considered in order to evaluate the toxicological effects of MO nanoparticles (NP), covered with HS, on an anaerobic consortium. This study provides with essential information required for the co-immobilization of RM and humus reducing microorganisms through the granulation process. The results presented in chapter 3 indicate that suitable sources of RM can be found in natural environments to be used in wastewater treatment systems. ETC values depended of the origin of the HS sample, which ranging between 112−392 μmol g-1 by chemical method. In addition, it was demonstrated that non-quinone functional groups accounted for an important fraction of ETC of different HS samples and that the humus-reducing microorganism Geobacter sulfurreducens, is able to reduce both quinone and non-quinone redox functional groups in HS. From this characterization study, two HS samples were selected to be immobilized on MO particles at micrometric (chapter 4) and nanometric scale (chapter 6). In chapter 4, the impact of immobilized HS on alumina microparticles during the reductive dehalogenation of carbon tetrachloride by anaerobic sludge was studied. Immobilized HS preserved their catalytic properties, which was evidenced by an increase up to 10.4-fold in the rate of reduction of carbon tetrachloride compared to the control lacking HS, achieving a dehalogenation efficiency >90%."