Fate of Vinyl Chloride in Aquifers: Organisms, Pathways - - PowerPoint PPT Presentation
Fate of Vinyl Chloride in Aquifers: Organisms, Pathways and Monitoring Tools Frank Lffler Department of Microbiology Department of Civil &
!
Department ¡of ¡Microbiology ¡ Department ¡of ¡Civil ¡& ¡Environmental ¡Engineering ¡ Center ¡for ¡Environmental ¡Microbiology ¡
¡
Bioscience ¡Division, ¡Oak ¡Ridge ¡Na?onal ¡Laboratory ¡
2 ¡
Other ¡names: ¡Monochloroethene, ¡Chloroethene, ¡Chloroethylene, ¡ Ethylene ¡monochloride ¡
Boiling ¡point: ¡−13.4 ¡°C ¡(colorless ¡gas) ¡ Solubility: ¡2.7 ¡g/L ¡(43,2 ¡mol/L) ¡
3 ¡
Acute Effects (response to high levels of VC)
Chronic Effects (Noncancer)
Reproductive/Developmental Effects
Cancer Risk
www.epa.gov/ttnatw01/hlthef/vinylchl.html
Bass ¡et ¡al. ¡2005. ¡Vinyl ¡chloride: ¡A ¡case ¡study ¡of ¡data ¡suppression ¡ and ¡misrepresenta?on. ¡Environ. ¡Health ¡Perspec. ¡113:809-‑812. ¡
4 ¡
VC ¡found ¡in ¡at ¡least ¡616 ¡of ¡the ¡1,662 ¡Na?onal ¡Priority ¡List ¡sites ¡ iden?fied ¡by ¡the ¡EPA ¡ ¡
Agency ¡for ¡Toxic ¡Substances ¡and ¡Disease ¡Registry ¡ www.atsdr.cdc.gov/toxfaqs/`.asp?id=281&?d=51 ¡
5 ¡
Anthropogenic ¡Sources ¡ ¡
(e.g., ¡PCE, ¡TCE, ¡TeCA) ¡
Natural ¡Sources ¡ ¡
¡➔ ¡Volcanic ¡ac?vity ¡
6 ¡
Pipes, ¡building ¡materials, ¡automo?ve ¡ applica?ons, ¡wire ¡and ¡cable ¡coa?ngs, ¡ packaging ¡materials, ¡etc. ¡
(expected ¡to ¡increase) ¡ ¡
a ¡widely ¡used ¡thermoplas?c ¡polymer ¡
VC ¡Monomer ¡ Polyvinylchloride ¡ ¡ (PVC) ¡
Polymeriza?on ¡
PVC ¡plant ¡in ¡China ¡
7 ¡
November ¡30, ¡2012: ¡ ¡Train ¡derailed ¡while ¡crossing ¡a ¡bridge ¡over ¡Mantua ¡Creek ¡in ¡ Paulsboro, ¡N.J., ¡(near ¡Philadelphia). ¡ ¡Release ¡of ¡approximately ¡23,000 ¡gallons ¡of ¡VC. ¡ ¡
VC ¡ ¡ breached ¡ VC ¡ VC ¡ Ethanol ¡
8 ¡
PVC ¡reported ¡to ¡contain ¡up ¡to ¡1 ¡ppm ¡VC ¡
Automobiles ¡ Water ¡distribu?on ¡systems ¡ Toys ¡
Construc?on ¡ Household ¡
Landfills ¡
C C Cl Cl Cl Cl
PCE
C C Cl Cl H Cl
TCE
C C H Cl H Cl
tDCE
C C Cl Cl H H
cDCE
C C Cl H H Cl
1,1-DCE
C C H H H Cl
VC
C C Cl Cl Cl Cl H H
1,1,2,2-TeCA
C C H Cl H Cl Cl Cl
1,1,1,2-TeCA
C C Cl Cl H Cl H H
1,1,2-TCA
C C Cl Cl
DCAc
C C H Cl
CAc
Natural ¡ ¡ Produc?on ¡
10 ¡
Number ¡of ¡known ¡natural ¡organohalogen ¡compounds: ¡
¡1954: ¡12 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2010: ¡ ¡> ¡4,700 ¡
If ¡there ¡is ¡natural ¡produc?on ¡of ¡organohalogens, ¡there ¡must ¡ be ¡pathways ¡and ¡mechanisms ¡that ¡degrade ¡these ¡chemicals ¡
Keppler, ¡F. ¡et ¡al. ¡2002. ¡Natural ¡Forma?on ¡of ¡Vinyl ¡Chloride ¡in ¡the ¡Terrestrial ¡Environment. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol. ¡36:2479-‑2483 ¡
¡Hoekstra, ¡E. ¡J. ¡et ¡al. ¡1998. ¡Natural ¡Forma?on ¡of ¡Chloroform ¡and ¡Brominated ¡Trihalomethanes ¡in ¡Soil. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol., ¡ 32:3724-‑3729 ¡
¡Gribble, ¡W. ¡G. ¡2010. ¡Naturally ¡Occurring ¡Organohalogen ¡Compounds ¡– ¡A ¡Comprehensive ¡Update. ¡Springer, ¡Wien. ¡
OH! OH! O! O!
Fe3+ Cl-, O2, CO2
Organic Matter
Fe3+
CH3Cl ! C2H3Cl ! C2H5Cl ! C3H7Cl
Cl! H! H! H!
Catechol! Benzoquinone!
Oxic ¡ Anoxic ¡
11 ¡
Anaerobic ¡ ¡ Oxida?on ¡ CO2, ¡acetate, ¡Cl-‑ ¡ Abio?c ¡ Degrada?on ¡ Metabolic ¡ Reduc?on ¡
C C H H H H C C H H H H
Chlorooxirane ¡ (VC ¡epoxide) ¡
Co-‑oxida?on ¡
C C Cl H H H O
CO2, ¡Cl-‑ ¡
C C Cl H H H O
Acetyl-‑CoA ¡ Cl-‑ ¡ Cl-‑ ¡ Cl-‑ ¡ Cl-‑ ¡ Cl-‑ ¡ Cl-‑ ¡
12 ¡
Anaerobic ¡ ¡ Oxida?on ¡ CO2, ¡acetate, ¡Cl-‑ ¡ Abio?c ¡ Degrada?on ¡ Metabolic ¡ Reduc?on ¡
C C H H H H C C H H H H
Chlorooxirane ¡ (VC ¡epoxide) ¡
Co-‑oxida?on ¡
C C Cl H H H O
CO2, ¡Cl-‑ ¡
C C Cl H H H O
Acetyl-‑CoA ¡ Organohalide ¡ Respira?on ¡ MBTs ¡
Primary ¡substrate ¡ Compe??on ¡ Toxicity ¡ Engineering ¡challenge ¡ Monooxygenases ¡ High ¡affinity ¡to ¡O2 ¡ MBTs ¡ Transi?on ¡metal ¡ co-‑factors ¡
(+) ¡
¢ ¢ ¡ ¢ ¢ ¡
Dehalococcoides ¡ mccartyi ¡
Energy ¡
13 ¡
Organohalide ¡RespiraNon ¡
Perry ¡McCarty ¡ ¡
2[H] ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡H+ ¡+ ¡Cl-‑ ¡
Löffler ¡et ¡al. ¡2013. ¡Dehalococcoides ¡mccartyi ¡gen. ¡nov., ¡sp. ¡nov., ¡obligately ¡organohalide-‑respiring ¡anaerobic ¡ bacteria ¡relevant ¡to ¡halogen ¡cycling ¡and ¡bioremedia?on.... ¡Int. ¡J. ¡Syst. ¡Evol. ¡Microbiol. ¡63:625-‑635 ¡ ¡
14 ¡
metabolize ¡VC ¡(but ¡cannot ¡grow ¡with ¡VC) ¡
bvcA, ¡vcrA ¡
+ ¡Biomass ¡
Löffler ¡et ¡al. ¡2013. ¡Dehalococcoides ¡and ¡reduc?ve ¡dechlorina?on. ¡SERDP ¡ESTCP ¡Environmental ¡Remedia?on ¡Technology, ¡Vol. ¡5. ¡H. ¡F. ¡ Stroo, ¡A. ¡Leeson, ¡and ¡H. ¡C. ¡Ward ¡(Eds.). ¡Bioaugmenta?on ¡for ¡Groundwater ¡Remedia?on. ¡Springer, ¡New ¡York. ¡ISBN ¡978-‑1-‑4614-‑4114-‑4. ¡ ¡
15 ¡
Ralstonia, ¡etc. ¡
(0.02 ¡mg/L) ¡
CO2 ¡ + ¡ Biomass ¡
O2 ¡
Gosseq, ¡J. ¡2010. ¡Sustained ¡aerobic ¡oxida?on ¡of ¡vinyl ¡chloride ¡at ¡low ¡oxygen ¡concentra?ons. ¡
Maqes ¡et ¡al. ¡2010. ¡Aerobic ¡biodegrada?on ¡of ¡chloroethenes: ¡pathways, ¡enzymes, ¡ecology, ¡ and ¡evolu?on. ¡FEMS ¡Microbiol. ¡Rev. ¡34:445-‑475 ¡
16 ¡
Ralstonia, ¡etc. ¡
(0.02 ¡mg/L) ¡
Gosseq, ¡J. ¡2010. ¡Sustained ¡aerobic ¡oxida?on ¡of ¡vinyl ¡chloride ¡at ¡low ¡oxygen ¡concentra?ons. ¡ ¡
Maqes ¡et ¡al. ¡2010. ¡Aerobic ¡biodegrada?on ¡of ¡the ¡chloroethenes: ¡pathways, ¡enzymes, ¡ecology, ¡and ¡evolu?on. ¡ FEMS ¡Microbiol. ¡Rev. ¡34:445-‑475. ¡ ¡
C C Cl H H H
Chlorooxirane ¡ (VC ¡epoxide) ¡
C C Cl H H H O
NADH ¡+ ¡H+ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡NAD+ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡O2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡+ ¡H2O ¡
C C Cl H H H CoM-S OH
Vinyl ¡Chloride ¡
CoMSH ¡
TCA ¡ Cycle ¡
Cl-‑ ¡
Monooxygenase ¡
17 ¡
Knowledge ¡gap: ¡ ¡ Abio?c ¡transforma?on ¡of ¡VC: ¡ ¡Rates ¡and ¡products ¡ Abio?c ¡reac?ons ¡are ¡in?mately ¡linked ¡with ¡the ¡microbiology ¡ BMAD: ¡Biologically-‑Mediated ¡Abio?c ¡Degrada?on ¡
Cl-‑ ¡
FeS ¡ Mackinawite ¡ Green ¡rust ¡ Magne?te ¡
18 ¡
Ethene ¡ CO2 ¡ Cl-‑ ¡ Biomass ¡
Product ¡FormaNon ¡ VC ¡ConcentraNons ¡ Catalysts ¡
Organisms ¡ Enzymes ¡ Genes ¡
VC ¡ Ethene ¡ Vola?liza?on ¡ Transforma?on ¡ Degrada?on ¡ PCE ¡ TCE ¡ cDCE ¡ Other ¡sources ¡
19 ¡
VC ¡ Ethene ¡ Ethane ¡
Fullerton ¡et ¡al. ¡2013. ¡Anaerobic ¡oxida?on ¡of ¡ethene ¡coupled ¡to ¡sulfate ¡reduc?on ¡in ¡microcosms ¡and ¡ enrichment ¡cultures. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol. ¡47:12374-‑12381 ¡
CO2 ¡
SO4
2-‑ ¡
HS-‑ ¡
Methanogenesis ¡
Ethene ¡is ¡not ¡a ¡stable ¡endproduct ¡of ¡VC ¡detoxifica?on ¡
20 ¡
ethenotrophs ¡cannot ¡be ¡dis?nguished ¡
C C Cl H H H
Chlorooxirane ¡ (VC ¡epoxide) ¡
C C Cl H H H O C C Cl H H H CoM-S OH
Vinyl ¡Chloride ¡
TCA ¡ Cycle ¡
Cl-‑ ¡ Epoxyalkane ¡ coenzyme ¡M ¡ transferase ¡ etnE ¡ etnABCD ¡ Alkene ¡ monooxygenase ¡ ¡
Oh ¡Jin ¡and ¡Maqes. ¡2010. ¡A ¡quan?ta?ve ¡PCR ¡assay ¡for ¡aerobic, ¡vinyl ¡chloride-‑ ¡and ¡ethene-‑ assimila?ng ¡microorganisms ¡in ¡groundwater. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol. ¡44:9036-‑9041. ¡ ¡
Biomass ¡
21 ¡
dechlorinate ¡VC ¡to ¡ethene ¡
ac?vity ¡
bvcA, ¡vcrA ¡
+ ¡Biomass ¡
50 100 150 200 250 300 350 400 0.000001 0.00001 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
Ethene (ppb) Ratio of bvcA+vcrA to Dhc
22 ¡
near ¡unity ¡ Ethene ¡forma?on ¡in ¡VC ¡plumes ¡likely ¡when: ¡
Ritalah? ¡et ¡al. ¡2010. ¡Comparing ¡on-‑site ¡to ¡off-‑site ¡biomass ¡collec?on ¡for ¡Dehalococcoides ¡biomarker ¡gene ¡quan?fica?on ¡to ¡ predict ¡in ¡situ ¡chlorinated ¡ethene ¡detoxifica?on ¡poten?al. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol. ¡44:5127-‑5133. ¡ ¡ Ritalah? ¡et ¡al. ¡2006. ¡Quan?ta?ve ¡PCR ¡targe?ng ¡16S ¡rRNA ¡and ¡reduc?ve ¡dehalogenase ¡genes ¡simultaneously ¡monitors ¡ mul?ple ¡Dehalococcoides ¡strains. ¡Appl. ¡Environ. ¡Microbiol. ¡72:2765-‑2774. ¡ Lu ¡et ¡al. ¡2006. ¡Rela?onship ¡between ¡Dehalococcoides ¡DNA ¡in ¡ground ¡water ¡and ¡rates ¡of ¡reduc?ve ¡dechlorina?on ¡at ¡field ¡
23 ¡
13C$ 13C$ 13C$ 13C$ 13C$ 13C$ 13C$ 13C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$ 13C$ 13C$ 13C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
Degrada?on ¡Products ¡ (CO2, ¡Ethene, ¡etc.) ¡
ReacNvity ¡
12C ¡ 13C ¡
24 ¡
Degrada?on ¡Products ¡ (CO2, ¡Ethene, ¡etc.) ¡
13C$ 13C$ 13C$ 13C$ 13C$ 13C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$
$12C$ 13C$ 13C$ 13C$
$
ReacNvity ¡
12C ¡ 13C ¡
Average ¡carbon ¡isotope ¡ enrichment ¡factors ¡ Aerobic, ¡metabolic ¡VC ¡oxida?on ¡ ¡ ¡ ¡−5.7 ¡to ¡-‑8.2‰ ¡ VC ¡respira?on ¡(reduc?ve ¡dechlorina?on) ¡ ¡−19.9 ¡to ¡-‑31.1‰ ¡ Process ¡
Fletcher ¡et ¡al. ¡2011. ¡Stable ¡carbon ¡isotope ¡enrichment ¡factors ¡for ¡cis-‑1,2-‑dichloroethene ¡and ¡vinyl ¡chloride ¡ reduc?ve ¡dechlorina?on ¡by ¡Dehalococcoides. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol. ¡45: ¡2951-‑2957. ¡ ¡
¡Abe ¡et ¡al. ¡2009. ¡Carbon ¡and ¡chlorine ¡isotope ¡frac?ona?on ¡during ¡aerobic ¡oxida?on ¡and ¡reduc?ve ¡ dechlorina?on ¡of ¡vinyl ¡chloride ¡and ¡cis-‑1,2-‑dichloroethene. ¡Environ. ¡Sci. ¡Technol. ¡43: ¡101-‑107. ¡ ¡
25 ¡
MERL Oregon State University 26 ¡
Bios?mula?on ¡ Bioaugmenta?on ¡
27 ¡
No B12 Limited B12 [1 µg/L] Sufficient B12 [25 µg/L] No dechlorination Complete Dechlorination (Detoxification)
cDCE VC ETH
VC stall
Dhc ¡strain ¡BAV1 ¡
Corrin ring Lower base
Pseudo-vitamin B12 (Methanococcales) Factor III (Methanosarcina)
Methanogens
Factor IIIm (Clostridium) (Clostridium) Cobalamin (Acetobacterium) p-Cresolyl cobamide (Sporomusa) Phenolyl cobamide (Sporomusa)
Acetogens
(Desulfobulbus)
SRB
28 ¡
29 ¡
Time (days)
[DMB]Cba
DechlorinaNon ¡rates ¡[mmoles ¡Cl-‑ ¡L-‑1 ¡d-‑1] ¡
Strain ¡BAV1 ¡(BvcA) ¡
[Ben]Cba
Yan ¡et ¡al. ¡2015. ¡The ¡corrinoid ¡cofactor ¡of ¡reduc?ve ¡dehalogenases ¡ affects ¡dechlorina?on ¡rates ¡and ¡extents ¡in ¡organohalide-‑respiring ¡ Dehalococcoides ¡mccartyi. ¡ISME ¡J. ¡In ¡Press. ¡ ¡
cDCE, VC and ethene [µmoles/bottle]
VC ¡dehlorinated ¡to ¡ethene, ¡ but ¡at ¡lower ¡rates ¡
30 ¡
Time (days)
[DMB]Cba
DechlorinaNon ¡rates ¡[mmoles ¡Cl-‑ ¡L-‑1 ¡d-‑1] ¡
Strain ¡GT ¡(VcrA) ¡
[Ben]Cba
cDCE, VC and ethene [µmoles/bottle]
VC ¡stall ¡
Yan ¡et ¡al. ¡2015. ¡The ¡corrinoid ¡cofactor ¡of ¡reduc?ve ¡dehalogenases ¡ affects ¡dechlorina?on ¡rates ¡and ¡extents ¡in ¡organohalide-‑respiring ¡ Dehalococcoides ¡mccartyi. ¡ISME ¡J. ¡In ¡Press. ¡ ¡
31 ¡
Pseudo-vitamin B12 (Methanococcales) Factor III (Methanosarcina) Factor IIIm (Clostridium) (Clostridium) Cobalamin (Acetobacterium) p-Cresolyl cobamide (Sporomusa) Phenolyl cobamide (Sporomusa) (Desulfobulbus)
QuanNty ¡and ¡Quality ¡Maaer ¡
No B12 Limited B12 [1 µg/L] Sufficient B12 [25 µg/L]
cDCE VC ETH
Microbial ¡Ecology ¡Meets ¡Engineering ¡PracNce ¡
Oh ¡dear! ¡ ¡I ¡didn’t ¡realize ¡‘in ¡the ¡field’ ¡would ¡be ¡like ¡this! ¡ We ¡should ¡have ¡stayed ¡in ¡the ¡laboratory! ¡
Many ¡graduate ¡students, ¡ postdocs ¡& ¡collaborators ¡