Biodegradation Kinetics of Geometric Isomers of Model Naphthenic Acids in Athabasca River Water

Abstract

The rates of biodegradation of six model naphthenic acids (NAs) by heterotrophic bacteria were compared. Specifically, the biodegradation of cis- and trans- geometric isomers of 4-methylcyclohexaneacetic acids (4MACH), 4-methylcyclohexanecarboxylic acids (4MCCH) and 3-methylcyclohexanecarboxylic acids (3MCCH) in surface water were monitored by gas chromatography. Biodegradation experiments were conducted using Athabasca River water collected in September 2000. The river water was dosed with two 4MACH concentrations, one 4MCCH concentration and one 3MCCH concentration. Each set of samples was also assessed at different pH levels, one dissolved organic carbon (DOC) content and three different temperatures to determine the effects of these parameters on the rate of substrate biodegradation. Controls that were both filtered and autoclaved displayed insignificant losses indicating that depreciation of 4MACH, 4MCCH and 3MCCH from the dosed samples was due solely to biotic factors. First-order biodegradation kinetics was achieved in all cases. The pH and DOC amendments levels did not appear to significantly affect the rate of the model NAs degradation in comparison to ambient conditions. The average rate constant (K) of the non-amended river water samples at room temperature (19 ± 1 °C) of the trans-4MACH and trans-4MCCH isomers were 2.5 × 10−3 and 2.8 × 10−3 hours−1, while the values of K for the corresponding cis- isomers were 0.7 × 10−3 and 0.6 × 10−3 hours−1, respectively. For all the model NAs investigated, the trans isomers degraded more rapidly than the respective cis isomers. The range of K measured at 10 °C and 30 °C of the trans-isomers were between 0.6 × 10−3 to 0.8 × 10−3 and 2.1 × 10−3 to 7.9 × 10−3 hours−1, respectively, while the corresponding values for the cis- isomers were between 0.2 × 10−3 to 0.5 × 10−3 and 1.2 × 10−3 to 1.8 × 10−3 hours−1, respectively. Intramolecular hydrogen bonding which occurs for only the cis- isomers, is the proposed rationale for the observed differences in biodegradation kinetics of the geometric isomers.

Les taux de biodégradation de six modèles d’acides naphténiques (AN) par bactérie hétérotrophe ont été comparés. Spécifiquement, la biodégradation des isomères géométriques cis et trans d’acides 4-méthyl-cyclohexane acétiques (4MACH), d’acides 4-méthyl-cyclohexane carboxyliques (4MCCH) et d’acides 3-méthyl-cyclohexane carboxyliques (3MCCH) dans les eaux de surface a été contrôlée par chromatographie gazeuse. Des expériences de biodégradation ont été menées à l’aide d’échantillons d’eau prélevés de la rivière Athabasca en septembre 2000. L’eau de la rivière a été dosée avec deux concentrations de 4MACH, une concentration de 4MCCH et une concentration de 3MCCH. Chaque série d’échantillons a également été évaluée selon différents niveaux de pH, un contenu de carbone organique dissout (DOC) et selon trois températures différentes pour déterminer les effets de ces paramètres sur le taux de biodégradation du substrat. Les échantillons de contrôle qui étaient à la fois filtrés et passés à l’autoclave ont révélé des pertes négligeables, ce qui indiquait que la dépréciation de 4MACH, de 4 MCCH et de 3MCCH par rapport aux échantillons dosés n’était attribuable qu’aux facteurs biotiques. Des cinétiques de biodégradation de premier ordre ont été obtenues dans tous les cas. Les niveaux de modification de pH et de DOC n’ont pas semblé influer de manière considérable sur le taux de dégradation des modèles d’AN en comparaison aux conditions ambiantes. La constante de vitesse moyenne (K) des échantillons d’eau non modifiés de la rivière à la température ambiante (19 ± 1 °C) des isomères trans-4MACH et trans-4MCCH était de 2,5 × 10−3 et de 2,8 × 10−3 heures−1, alors que les valeurs de K pour les isomères cis correspondants étaient de 0,7 × 10−3 et de 0,6 × 10−3 heures−1, respectivement. Pour tous les modèles d’AN étudiés, les isomères trans se sont dégradés plus rapidement que les isomères cis respectifs. L’échelle de K mesurée à 10 °C et à 30 °C des isomères trans se situait entre 0,6 × 10−3 et 0,8 × 10−3 et entre 2,1 × 10−3 et 7,9 × 10−3 heures−1, respectivement, alors que les valeurs correspondantes pour les isomères cis se situaient entre 0,2 × 10−3 et 0,5 × 10−3 et entre 1,2 × 10−3 et 1,8 × 10−3 heures−1, respectivement. Le pont hydrogène intra-moléculaire, qui se produit pour les isomères cis seulement, constitue le fondement proposé des écarts observés dans les cinétiques de biodégradation des isomères géométriques.