Biodeterioration of PVC plastics, biochemical fate of DEHP, and bioreactor landfills for DEHP-containing leachate management

Abstract

Di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), a widely used plasticizer in the manufacture of polymeric materials such as polyvinyl chloride, was studied in order to understand its fate and transport in complex environments such as landfills. Towards this effort, several experiments were conducted to assess the fate and biological and physicochemical processes that promote leaching and degradation of DEHP, and also to evaluate possible treatment methods. Biodegradation as well as advance oxidation, using an adsorption process to a mesoporous material (SBA-15) and Fenton regeneration, were the treatments evaluated to increase the waste decomposition rate and simultaneously removed DEHP and arsenic, respectively. Landfill leachates contained multiple organic and inorganic compounds making it difficult to treat them. Despite this, adsorption-Fenton process removed efficiently organic and inorganic contaminants. Arsenic was utilized as the inorganic model for its toxicity and frequency in landfill leachates. The first task was to isolate bacteria that metabolize DEHP from landfill leachate and then identify it. The second task was to test the rate and extent of DEHP biodegradation. Then, the third task was to evaluate the bacteria potential for plastic biodeterioration using shower curtains as the model DEHP-containing plastic waste. The fourth task was to evaluate a series of biochemical DEHP leaching using the model plastic wastes of shower curtains, cable insulations and floorings in batch and column settings. The fifth task was to evaluate DEHP fate and plastic deterioration in lab-scale monofills with the mixed of plastic wastes mentioned above. In addition, leachate treatment by adsorption and Fenton regeneration with mesoporous SBA-15 was performed and it was established that this enhanced waste decomposition via leachate recirculation after simultaneous removal of DEHP and arsenic in leachate. Two bacteria strains, LHM1 and LHM2 (S2), able to metabolize DEHP as their primary carbon source to an extent of 75 to 90% were successfully isolated from a local landfill. Di-butyl phthalate (0.010-0.126 mg L-1 ) and di-ethyl phthalate (0.145-0.280 mg L-1 ) were detected as intermediates of the DEHP biodegradation. Molecular identification of 16S rRNA gene showed that the strains were closely related to Gram-positive Chryseomicrobium spp. and Lysinibacillus spp., respectively. Physicochemical experiments showed that DEHP could fortuitously be leached out of PVC polymeric materials (as demonstrated in shower curtains, floorings and cable insulations as models) to the leachate even at a higher concentration than its water solubility especially at a greater humic acid concentration and higher temperatures. Biodeterioration and LSBM experiments showed that LHM1 and LHM2 (S2) were able to enhance biodeterioration of PVC shower curtains, floorings and cable insulations resulting in development of thicker biofilm on the surface of the materials and changes in thermogravimetric stability. As result, less amount of DEHP was present in a weaker bonding with the polymeric matrix of the materials biodeteriorated. Despite LHM1 and LHM2 (S2) capability of metabolizing DEHP, the strains also utilize other readily available carbonaceous compounds present in the monofill leachate. Adsorption-Fenton process was optimized in regard SBA-15 amount and Fe, As and H2O2 concentrations by response surface methodology to simultaneously remediate DEHP and As. During the adsorption, the optimum region was found at 1.1591 mM Fe, 18.74 mg SBA-15 and 3.71 mg L-1 As such 40-95 % and 90-95% of As(III) and DEHP were adsorbed onto SBA-15, respectively. For the Fenton regeneration, optimum treatment combinations were obtained at 0.5025 mM Fe, 22 mg SBA-15, 3.02 mg L-1 As and 22.50 mM H2O2. Removal efficiency of As(III) and DEHP fluctuates from 78 to 99% and 90 to 97%, respectively. This study has provided an understanding of the fate and transport of DEHP and how is biodegraded in landfill environments. Several studies demonstrated that DEHP could be linked to hepatocellular tumors, pre-term birth and may be a developmental and reproductive toxicant. It is believed that one of the main sources of DEHP exposure to the environment is through landfills with poor operation and maintenance. Most solid waste materials containing DEHP are disposed of in landfills and may migrate to groundwater and soil environments representing a threat to human receptors.

Di-2-etilhexilftalato (DEHP), un plastificante ampliamente utilizado en la manufactura de materiales poliméricos como en la producción de policloruro de vinilo, fue estudiado en relación al destino y transporte del mismo en ambientes complejos como los vertederos. Varios experimentos fueron realizados con el fin de evaluar los procesos biológicos y fisicoquímicos que promueven el lixiviado y la degradación de DEHP en vertederos y para evaluar posibles métodos de tratamiento. Biodegradación en conjunto con oxidación avanzada utilizando un proceso de adsorción a un material nanoporoso (SBA-15) y regeneración mediante Fenton fueron los tratamientos estudiados para aumentar la razón de descomposición de desperdicios y simultáneamente remover DEHP y arsénico, respectivamente. El lixiviado de vertederos contiene múltiples compuestos orgánicos e inorgánicos, lo que dificulta el tratamiento de los mismos. Sin embargo, el tratamiento de adsorción-Fenton permitió remover paralelamente un contaminante orgánico e inorgánico. Arsénico fue utilizado como modelo inorgánico por su toxicidad y frecuencia en lixiviados. En primer lugar, se aislaron bacterias, de lixiviado de vertedero, capaces de metabolizar DEHP y se identificaron a nivel molecular. En segundo lugar, se evaluó la razón y el alcance de las mismas para biodegradar DEHP. En tercer lugar, se evaluó el potencial de las bacterias para biodeteriorar materiales poliméricos utilizando cortinas de baño como modelo de desperdicio plástico que contiene DEHP como plastificante. En cuarto lugar, se analizaron diferentes condiciones bioquímicas en las cuales el DEHP puede desprenderse de los materiales poliméricos y transferirse al medio ambiente, utilizando cortinas de baño, “floorings” y cables como modelos. En quinto lugar, se realizaron representaciones a escala de “monofills” con el fin de evaluar el destino y transporte de DEHP utilizando una mezcla de los materiales poliméricos descritos anteriormente. Finalmente, se evaluó el tratamiento de adsorción y regeneración Fenton con SBA-15 y se estableció que el mismo aumenta la razón de descomposición de desperdicios sólidos y la remoción simultanea de DEHP y arsénico en el lixiviado. Dos bacterias, LHM1 y LHM2 (S2), se aislaron de un vertedero local, se demostró que las mismas son capaces de metabolizar DEHP como su única fuente de carbón a una razón de 75 a 90%. Dibutilftalato ( 0.010-0.126 mg L-1 ) y dietilftalato (0.145-0.280 mg L-1 ) fueron detectados como intermediarios en la biodegradación del DEHP. Además, identificación molecular del gen 16S rRNA demostró que las bacterias aisladas están estrechamente relacionadas con el género Chrysemicrobium spp. y Lysinibacillus spp. con una similitud mayor de 97%. Experimentos fisicoquímicos demostraron que el DEHP puede ser transferido del material polimérico al lixiviado a una concentración mayor que su solubilidad en agua, especialmente a temperaturas altas y en presencia de ácido húmico. Por otra parte, experimentos de biodeterioración en plásticos mostraron que las bacterias LHM1 y LHM2 (S2) deterioraron cortinas de baño, floorings y cables (materiales poliméricos utilizados como modelos) creando una biocapa densa en la superficie de los materiales y alterando su estabilidad termal. Por consiguiente, los materiales contenían menor cantidad de DEHP en la matriz de los polímeros luego de la exposición a las cepas LHM1 y LHM2(S2). Sin embargo, a pesar de la capacidad metabólica de LHM1 y LHM2 (S2) para metabolizar DEHP, el mismo no fue degradado completamente en presencia de otros compuestos de carbono presentes en el lixiviado del “monofill”. El tratamiento de Adsorción-Fenton fue optimizado en relación a la cantidad de SBA-15 y concentración de Fe, arsénico y H2O2 utilizando RSM para remover DEHP y arsénico simultáneamente. La región óptima de adsorción se encontró con 1.1591 mM Fe, 18.74 mg SBA15 y 3.71 mg L-1 As con un 40-95% y 90-95% de remoción de arsénico y DEHP, respectivamente. La región optima de regeneración Fenton se obtuvo con 0.5025 mM Fe, 22 mg SBA-15, 3.02 mg L-1 As y 22.50 mg L-1 H2O2. La eficiencia de remoción de arsénico y DEHP fluctuó desde 78 a 99% y desde 90 a 97%, respectivamente. Este estudio ha proporcionado una comprensión del destino y transporte del DEHP y cómo este se biodegrada en los vertederos. Varios estudios demostraron que la exposición prolongada a DEHP causa tumores hepatocelulares, nacimientos prematuros y hasta podría afectar el sistema reproductivo y el proceso de desarrollo. Se cree que una de las fuentes principales de exposición del DEHP al medioambiente es a través de vertederos por el alto contenido de plásticos y textiles, uso principal de DEHP en materiales. Gran parte de los vertederos en la isla carecen del manejo y mantenimiento apropiado, por lo cual el lixiviado migra a las aguas subterráneas, suministro importante de agua potable en Puerto Rico.