Enhancing bioremediation of groundwater co-contaminated by chlorinated volatile organic compounds and 1,4-dioxane using novel macrocyclic materials

使用新型大环材料增强氯化挥发性有机化合物和 1,4-二恶烷共同污染的地下水的生物修复

基本信息

  • 批准号:
    10514617
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 28.88万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2025-10-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Project Summary The project addresses a common challenge in the remediation of groundwater contaminated with chlorinated volatile organic compounds (CVOCs) and 1,4-dioxane. CVOCs include chlorinated solvents, such as trichloroethylene (TCE) and 1,1,1-trichloroethane (1,1,1-TCA), and their degradation products. Many CVOCs and 1,4-dioxane are known or potential human carcinogens and on the Substance Priority List (SPL) for Superfund sites. CVOCs bioremediation under anaerobic conditions (i.e. reductive dechlorination) is well established. However, bioremediation of mixtures of CVOCs and 1,4-dioxane is not yet feasible due to at least the following three obstacles: 1) low biodegradability of 1,4-dioxane at environmentally relevant concentrations, 2) requirement for aerobic conditions for 1,4-dioxane metabolism but anaerobic conditions for most CVOCs metabolism, and 3) inhibition of 1,4-dioxane biodegradation by CVOCs. This project proposes the following combined remediation approach to address these challenges: first, an innovative macrocyclic material approach to selectively adsorb CVOCs and promote the growth of dechlorinating biofilm on the material surface to anaerobically biodegrade CVOCs. After the CVOCs treatment, another type of innovative macrocyclic material as an effective and selective sorbent for 1,4-dioxane sustains biofilms consisting of a highly efficient culture to aerobically metabolize 1,4-dioxane. The macrocyclic molecules, which comprise repeating cyclic oligomers with unique geometry and internal chemistry, form specific host-guest complexes with only selected guest molecules (i.e., 1,4-dioxane or CVOCs). A highly efficient 1,4-dioxane-metabolizing culture (previously established) is much more effective at low, environmentally relevant concentrations compared to all others reported in literature. To understand the mechanisms of how the novel sorbents enhance bioremediation and to demonstrate the feasibility of the proposed remediation approach, the researchers will conduct the following work: 1) Computational study, synthesis, and characterization of novel macrocyclic materials. Two sorbents, one that selectively and reversibly adsorbs CVOCs and another that selectively adsorbs 1,4-dioxane will be optimized for use in the bioremediation studies. 2) Mechanistic study of the highly efficient 1,4-dioxane-metabolizing culture. Key microorganisms responsible for the high affinity to 1,4-dioxane in the mixed culture will be isolated and investigated for their degradation intermediates, pathways, and kinetics. 3) Elucidation of interactions among contaminants, microbial cultures, and the novel sorbents. To achieve this, completely mixed flow experiments will be performed, and they will be coupled with mathematical modeling that incorporates phenomena of both sorption and biodegradation in biofilms. 4) Proof-of-concept column studies for bioremediation of CVOCs and 1,4-dioxane mixtures. Two long-term column studies will be performed: ex situ treatment of 1,4-dioxane and in situ bioremediation of CVOCs and 1,4-dioxane mixture in series. Performance objectives will be Maximum Contaminant Levels for CVOCs and the Health Advisory Level for 1,4-dioxane (0.35 µg/L).
项目摘要 该项目解决了被污染的地下水的共同挑战 氯化挥发性有机化合物(CVOC)和1,4-二恶烷。 CVOC包括氯化溶液,例如 作为三氯乙烯(TCE)和1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-TCA)及其降解产物。许多CVOC 和1,4-二氧烷是已知的或潜在的人类致癌物,并且在物质优先级(SPL)上 超级基金网站。在厌氧条件下(即脱氯化)在厌氧条件下生物修复很好 已确立的。但是,CVOC和1,4-二恶烷的混合物的生物修复至少由于至少由于 以下三个障碍:1)在环境相关的浓度下,1,4-二氧烷的生物降解性低, 2)对1,4-二恶烷代谢的有氧条件的要求,但大多数CVOC的厌氧条件 代谢和3)通过CVOC抑制1,4-二氧烷生物降解。该项目提出以下内容 解决这些挑战的组合补救方法:首先,一种创新的大环材料方法 有选择地吸附CVOC并促进材料表面上生物膜的脱氯生长 厌氧生物降解CVOC。 CVOCS处理后,另一种创新的大环材料 作为1,4-二恶烷的有效和选择性的吸附剂,可维持由高效培养的生物膜 有氧代谢1,4-二恶烷。大环,包括与重复环状低聚物一起 独特的几何形状和内部化学反应,形成特定的宿主 - 阵阵复合物,只有选定的来宾分子 (即1,4-二恶烷或CVOC)。高效的1,4-二恶烷 - 代谢培养物(以前建立)很大 与文献中报道的所有其他报道相比,在低,环境相关的浓度下更有效。到 了解新型吸附剂如何增强生物修复的机制并证明 拟议的修复方法的可行性,研究人员将进行以下工作:1) 新型大环材料的计算研究,合成和表征。两个吸附剂,一个 有选择地,可逆地吸附CVOC,另一种选择性地吸附1,4-二恶烷将优化 在生物修复研究中使用。 2)高效1,4-二恶烷 - 代谢培养物的机械研究。 在混合培养中,负责对1,4-二恶烷高亲和力的关键微生物将被隔离,并且 对其降解中间体,途径和动力学进行了调查。 3)阐明之间的相互作用 污染物,微生物培养物和新型吸附剂。为此,完全混合流程实验 将执行,并将与数学建模相结合,该模型结合了两者的现象 生物膜中的吸附和生物降解。 4)概念验柱研究CVOC和CVOC的生物修复研究 1,4-二恶烷混合物。将进行两项长期的长期研究:1,4-二氧烷的现场治疗 CVOC和1,4-二恶烷混合物的原位生物修复。性能对象最大 CVOC的污染物水平和1,4-二恶烷(0.35 µg/L)的健康咨询水平。

项目成果

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