Bioremediation of PAHs - Limitations and soultions

Introduction 1.1 Occurrence of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) in the environment Worldwide industrial and agricultural developments have released a large number of natural and synthetic hazardous compounds into the environment due to careless waste disposal, illegal waste dumping and accidental spills. As a result, there are numerous sites in the world that require cleanup of soils and groundwater. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are one of the major groups of these contaminants (Da Silva et al., 2003). PAHs constitute a diverse class of organic compounds consisting of two or more aromatic rings with various structural configurations (Prabhu and Phale, 2003). Being a derivative of benzene, PAHs are thermodynamically stable. In addition, these chemicals tend to adhere to particle surfaces, such as soils, because of their low water solubility and strong hydrophobicity, and this results in greater persistence under natural conditions. This persistence coupled with their potential carcinogenicity makes PAHs problematic environmental contaminants (Cerniglia, 1992; Sutherland, 1992). PAHs are widely found in high concentrations at many industrial sites, particularly those associated with petroleum, gas production and wood preserving industries (Wilson and Jones, 1993). 1.2 Remediation technologies Conventional techniques used for the remediation of soil polluted with organic contaminants include excavation of the contaminated soil and disposal to a landfill or capping - containment - of the contaminated areas of a site. These methods have some drawbacks. The first method simply moves the contamination elsewhere and may create significant risks in the excavation, handling and transport of hazardous material. Additionally, it is very difficult and increasingly expensive to find new landfill sites for the final disposal of the material. The cap and containment method is only an interim solution since the contamination remains on site, requiring monitoring and maintenance of the isolation barriers long into the future, with all the associated costs and potential liability. A better approach than these traditional methods is to completely destroy the pollutants, if possible, or transform them into harmless substances. Some technologies that have been used are high-temperature incineration and various types of chemical decomposition (for example, base-catalyzed dechlorination, UV oxidation). However, these methods have significant disadvantages, principally their technological complexity, high cost , and the lack of public acceptance. Bioremediation, on the contrast, is a promising option for the complete removal and destruction of contaminants. 1.3 Bioremediation of PAH contaminated soil & groundwater Bioremediation is the use of living organisms, primarily microorganisms, to degrade or detoxify hazardous wastes into harmless substances such as carbon dioxide, water and cell biomass Most PAHs are biodegradable unter natural conditions (Da Silva et al., 2003; Meysami and Baheri, 2003) and bioremediation for cleanup of PAH wastes has been extensively studied at both laboratory and commercial levels- It has been implemented at a number of contaminated sites, including the cleanup of the Exxon Valdez oil spill in Prince William Sound, Alaska in 1989, the Mega Borg spill off the Texas coast in 1990 and the Burgan Oil Field, Kuwait in 1994 (Purwaningsih, 2002). Different strategies for PAH bioremediation, such as in situ , ex situ or on site bioremediation were developed in recent years. In situ bioremediation is a technique that is applied to soil and groundwater at the site without removing the contaminated soil or groundwater, based on the provision of optimum conditions for microbiological contaminant breakdown.. Ex situ bioremediation of PAHs, on the other hand, is a technique applied to soil and groundwater which has been removed from the site via excavation (soil) or pumping (water). Hazardous contaminants are converted in controlled bioreactors into harmless compounds in an efficient manner. 1.4 Bioavailability of PAH in the subsurface Frequently, PAH contamination in the environment is occurs as contaminants that are sorbed onto soilparticles rather than in phase (NAPL, non aqueous phase liquids). It is known that the biodegradation rate of most PAHs sorbed onto soil is far lower than rates measured in solution cultures of microorganisms with pure solid pollutants (Alexander and Scow, 1989; Hamaker, 1972). It is generally believed that only that fraction of PAHs dissolved in the solution can be metabolized by microorganisms in soil. The amount of contaminant that can be readily taken up and degraded by microorganisms is defined as bioavailability (Bosma et al., 1997; Maier, 2000). Two phenomena have been suggested to cause the low bioavailability of PAHs in soil (Danielsson, 2000). The first one is strong adsorption of the contaminants to the soil constituents which then leads to very slow release rates of contaminants to the aqueous phase. Sorption is often well correlated with soil organic matter content (Means, 1980) and significantly reduces biodegradation (Manilal and Alexander, 1991). The second phenomenon is slow mass transfer of pollutants, such as pore diffusion in the soil aggregates or diffusion in the organic matter in the soil. The complex set of these physical, chemical and biological processes is schematically illustrated in Figure 1. As shown in Figure 1, biodegradation processes are taking place in the soil solution while diffusion processes occur in the narrow pores in and between soil aggregates (Danielsson, 2000). Seemingly contradictory studies can be found in the literature that indicate the rate and final extent of metabolism may be either lower or higher for sorbed PAHs by soil than those for pure PAHs (Van Loosdrecht et al., 1990). These contrasting results demonstrate that the bioavailability of organic contaminants sorbed onto soil is far from being well understood. Besides bioavailability, there are several other factors influencing the rate and extent of biodegradation of PAHs in soil including microbial population characteristics, physical and chemical properties of PAHs and environmental factors (temperature, moisture, pH, degree of contamination). Figure 1: Schematic diagram showing possible rate-limiting processes during bioremediation of hydrophobic organic contaminants in a contaminated soil-water system (not to scale) (Danielsson, 2000). 1.5 Increasing the bioavailability of PAH in soil Attempts to improve the biodegradation of PAHs in soil by increasing their bioavailability include the use of surfactants , solvents or solubility enhancers.. However, introduction of synthetic surfactant may result in the addition of one more pollutant. (Wang and Brusseau, 1993).A study conducted by Mulder et al. showed that the introduction of hydropropyl-ß-cyclodextrin (HPCD), a well-known PAH solubility enhancer, significantly increased the solubilization of PAHs although it did not improve the biodegradation rate of PAHs (Mulder et al., 1998), indicating that further research is required in order to develop a feasible and efficient remediation method. Enhancing the extent of PAHs mass transfer from the soil phase to the liquid might prove an efficient and environmentally low-risk alternative way of addressing the problem of slow PAH biodegradation in soil.

Realizzazione di un simulatore biomeccanico del sistema ventricolo-aorta e studio della contropulsazione passiva

La sinergia tra diverse aree scientifiche svolge oggi un ruolo preminente nella risoluzione di problematiche molto complesse: in ambito medico, un massiccio intervento delle scienze fisico-matematiche ha portato, grazie alla ricerca sulle proprietà subatomiche (NMR), sulla funzione elettromeccanica tissutale (pace-makers) e sulla biocompatibilità di materiali innovativi, ad un completo rinnovamento e miglioramento delle terapie tradizionali, delineando nuove strategie terapeutiche. In questo quadro di attiva collaborazione si colloca la ricerca in ambito biomeccanico cardiovascolare che, approfondendo la funzionalità del cuore e dei vasi in condizioni normali e patologiche, propone soluzioni terapeutiche alternative all'approccio farmacologico, impensabili fino a pochi anni fa. Uno di questi ambiti è l'insufficienza cardiaca: al ventricolo incapace di produrre l'energia necessaria alla perfusione ematica viene associato un sistema di pulsazione meccanica che riduce il carico durante l'eiezione ed aumenta la perfusione coronarica in diastole. Tuttavia, benché l'efficacia della contropulsazione intra-aortica sia riconosciuta da decenni, alcune problematiche rimangono irrisolte: l'inapplicabilità su pazienti aritmici, l'eccessiva sollecitazione meccanica in pazienti vasculopatici, la complessità e l'alto costo dell'apparecchiatura. Questo lavoro affronta la validazione e la caratterizzazione di una soluzione terapeutica alternativa, di tipo completamente passivo, il cui effetto non è basato sulla somministrazione di energia meccanica dall'esterno, attraverso la pulsazione, ma sull'adattamento di impedenza biomeccanica tra la sorgente elastica pulsatile (il ventricolo) ed il carico (l'aorta). Per verificare l'ipotesi funzionale è stato realizzato un sistema contrattile che simulasse diversi livelli di insufficienza ventricolare ed un sistema vascolare con resistenza idraulica ed elastanza variabili. Sono stati rilevati i parametri fisiologici (pressioni, flusso, potenza ed efficienza) nelle diverse condizioni di accoppiamento biomeccanico e si sono ripetuti i rilievi inserendo il dispositivo di contropulsazione passiva. La validazione sperimentale ha prodotto risultati coerenti con quanto atteso ed è stata indispensabile per l'ottenimento, da parte del Comitato Etico, dell'autorizzazione per la sperimentazione clinica del sistema in oggetto.

Preparation and assessment of immobilized laccase-based micro- and nanocatalysts for the degradation of anthropogenic compounds

Since the dawn of its presence on earth, the human being has been able to exploit the enzymes for its subsistence. More recent is the meeting between the enzymatic processes and the urgent need for technologies that aim to preserve our planet. In this field nowadays enzymatic catalysis is tested either to depollution/remediation as well as waste disposal. The work presented in this thesis, regarding both these two topics, is tailored on two European projects (EU 2020), MADFORWATER and TERMINUS respectively. Firstly, production of micro- and nanocatalysts via immobilization of laccases (a lignin-degrader enzyme) is performed. In the second part of the thesis laccase is applied to a tertiary treatment of wastewater with the aim to degrade 9 pharmaceutical active compounds in batch reactors. Despite several optimizations, poor degradation is reached and we did not proceed with the study of different bioreactor setups. Therefore, the focus is moved to a project concerning the production of smart multi-layer plastic packaging containing enzymes to improve the possibilities of recycling. In this field shielded nanocatalysts produced via coating techniques able to interact with redox mediators are investigated. The target substrate in this second project is produced in laboratory (i.e. polyurethane like compounds), starting from monomers whose degradation had already been tested, as a proof of concept. The first enzyme studied is still the laccase.

Utilizzo di sistemi bioreattori per l’ingegnerizzazione di sostituti del tessuto cartilagineo

La mancanza di vascolarizzazione dei costrutti tissutali cartilaginei ingegnerizzati rende opportuno e necessario l’impiego di bioreattori che permettano di indurre un flusso nel terreno di coltura favorendo il trasporto di massa e quindi lo sviluppo del metabolismo e del differenziamento cellulare. I bioreattori intendono replicare gli stimoli fisici fisiologici, nello specifico condrogenici, e a regolare la formazione della matrice extracellulare tramite meccanotrasduzione, il fenomeno biologico che traduce le sollecitazioni meccaniche applicate alle cellule in segnali biochimici che suscitano risposte adattative. In questo elaborato sono riportati i risultati di un recente lavoro - pubblicato da J. Hallas, A. J. Janvier, K. F. Hoettges & J. R. Henstock e intitolato “Pneumatic piston hydrostatic bioreactor for cartilage tissue engineering – che propone la realizzazione di un bioreattore idrostatico a pistone pneumatico, realizzato con componenti facilmente acquisibili a basso costo in commercio. Il bioreattore è collegato a una camera di coltura tramite un connettore pneumatico e un tubo per l’aria in polipropilene. La camera di coltura è realizzata in acido polilattico (PLA) tramite stampante 3D. Il dispositivo è in grado di applicare a una coltura cellulare tridimensionale una pressione idrostatica intermittente con ampiezza compresa tra 0 e 400 kPa e frequenza massima di 3,5 Hz. Condrociti provenienti dalla cartilagine di un’articolazione di ginocchio sono stati coltivati all’interno della camera di coltura del bioreattore dove sono stati sottoposti a una pressione di picco di 300 kPa per 3 ore al giorno per un totale di 5 giorni. Al termine della coltura si è ottenuto un aumento dell’attività metabolica cellulare del 21% e un aumento significativo del contenuto di glicosamminoglicani nell’ECM.

Soluzione analitica di un modello semplificato per la circolazione sistemica

La circolazione sanguigna nell’organismo umano sfrutta un meccanismo ad hoc per trasportare gli scarti e tutte le sostanze necessarie al metabolismo cellulare. Il cuore rappresenta la pompa che dà al sangue la spinta per scorrere nei vasi e il ventricolo sinistro è la cavità cardiaca che contribuisce di più allo svolgimento di questo lavoro. Il modello pulsatile utilizzato in questo elaborato per la circolazione sistemica deriva dalla semplificazione di un modello a parametri concentrati precedentemente pubblicato. Nell’analogo elettrico di questo modello sono state incluse la resistenza al ritorno venoso, la resistenza al deflusso aortico e la resistenza arteriolare sistemica. Inoltre, la funzione di pompa del ventricolo è definita dalla complianza ventricolare tempo-variante e dal suo inverso, l’elastanza. Le valvole ventricolari sono simulate da due diodi e le capacità venose e arteriose tengono conto del comportamento elastico dei rispettivi compartimenti. Considerando il lavoro delle valvole, il ciclo cardiaco è stato suddiviso in sette intervalli temporali, per ciascuno dei quali è stato disegnato un analogo elettrico che descrive il comportamento degli elementi circuitali in quello specifico intervallo temporale. Attraverso l’applicazione delle leggi di Kirchoff agli analoghi elettrici sopra citati si scrivono le equazioni differenziali nelle funzioni incognite carica elettrica sulla complianza ventricolare e tensione arteriosa. Per ottenere le espressioni analitiche della soluzione delle equazioni differenziali si approssima l’elastanza con una funzione lineare a tratti e si utilizzano i teoremi per la risoluzione delle equazioni differenziali di ordine uno non omogenee. Le espressioni analitiche vengono implementate su Matlab, che consente di ottenere dei grafici della pressione venosa, arteriosa e ventricolare, dell’elastanza, del volume ventricolare e della portata aortica anche in risposta ad una diminuzione della resistenza arteriolare sistemica.