Study on bioremediation of soil contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs)

• Autorzy: Wojtowicz Katarzyna , Steliga Teresa

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2020.08.03

Warianty tytułu

PL

Badania bioremediacji gleby zanieczyszczonej polichlorowanymi bifenylami (PCBs)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents issues related to biodegradation of polychlorinated biphenyls in soil by inoculation with a biopreparation IN-3 developed on the basis of microorganisms capable of metabolizing PCB. Biodegradation tests were carried out using the ex-situ technological pile method on a specially constructed test stand. As part of the research, physical and chemical analyzes of the initial soil were performed, with particular regard to the content of nutrients (nitrogen and phosphorus), PCB chromatographic analyzes and toxicological analyzes. Before inoculating soil with biopreparation IN-3, the parameters of the process were established (temperature = 17–25°C, humidity = 20–25%, pH = 7.5–7.8, content of nutrients: C:N:P = 100:10:1), which were monitored during bioremediation. During soil treatment, the content of identified PCB congeners was monitored. The assessment of biodegradation efficiency of polychlorinated biphenyls in soil was complemented by toxicological monitoring, which was carried out using live organisms representing all trophic levels: producers (PhytotoxkitTM test), consumers (Ostracodtoxkit FTM test) and reducers agents (Microtox®SPT test). Also, the presence of mutagenic factors were tested with the Ames mutagenicity test. As a result of the six-month biodegradation process of soil contaminated with aged transformer oil, upon inoculation with biopreparation IN-3, a reduction in the content of polychlorinated biphenyls from 13 153.9 µg/kg d.m. down to 1650.4 µg/kg d.m. (87.5%) was archieved. The obtained chromatographic analysis results showed that the efficiency of the PCB biodegradation depended on the number of chlorine atoms in the biphenyl ring (with the increase in the number of chlorine atoms in the PCB molecule the degree of biodegradation decreased) and the structure of the molecule (PCB congeners having 2 or more chlorine atoms in the biphenyl ring ortho positions were more difficult to biodegrade than non-ortho or mono-ortho, while polychlorinated biphenyls, in which chlorine atoms occur on only one phenyl ring, were more easily biodegradable). The toxicological analysis showed a reduction in the toxicity of the soil tested from toxicity unit TU = 26.7 to TU = 6.1. In addition, toxkit tests (PhytotoxkitTM and Ostracodtoxkit FTM) showed a decrease in inhibition of test organism growth from 69.3 to 14.8% (Ostracodtoxkit FTM test) and from 64.7–78.0 to 11.9–17.5% (Phytotoxkit test). Decreasing the mutagenicity index from 8.3 to 1.5 in the Ames test confirmed the effectiveness of the purification process. Based on the results of the experiment, conclusions were made regarding issues related to biodegradation of polychlorinated biphenyls in soil.

PL

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z biodegradacją polichlorowanych bifenyli w glebie w drodze inokulacji biopreparatem IN-3, opracowanym na bazie mikroorganizmów zdolnych do metabolizowania PCB. Badania biodegradacji prowadzono metodą pryzmowania ex-situ na specjalnie do tego celu skonstruowanym stanowisku badawczym. W ramach prowadzonych badań wykonano analizy fizyczno-chemiczne gleby wyjściowej, ze szczególnym uwzględnieniem zawartości substancji biogennych (azot i fosfor), analizy chromatograficzne PCB oraz analizy toksykologiczne. Przed przystąpieniem do inokulacji gleby biopreparatem ustalono parametry prowadzenia procesu (temperatura = 17–25°C, wilgotność = 20–25%, pH = 7,5–7,8, zawartość substancji biogennych: C:N:P = 100:10:1), które kontrolowano w trakcie bioremediacji. W trakcie oczyszczania gleby prowadzono monitoring zawartości zidentyfikowanych kongenerów PCB. Ocenę skuteczności biodegradacji polichlorowanych bifenyli w glebie rozszerzono o monitoring toksykologiczny, który przeprowadzono przy użyciu żywych organizmów reprezentujących wszystkie poziomy troficzne: producentów (test PhytotoxkitTM), konsumentów (test Ostracodtoxkit FTM) i reducentów (test Microtox®SPT), a także wykonano badania obecności czynników mutagennych (test Amesa). W wyniku przeprowadzonego sześciomiesięcznego procesu biodegradacji gleby zanieczyszczonej zestarzałym olejem transformatorowym, na drodze inokulacji biopreparatem IN-3, osiągnięto obniżenie zawartości polichlorowanych bifenyli z 13 153,9 µg/kg s.m. do 1650,4 µg/kg s.m. (87,5%). Uzyskane wyniki analiz chromatograficznych wykazały, że efektywność biodegradacji PCB zależy od liczby atomów chloru w pierścieniu bifenylu (wraz ze wzrostem liczby atomów chloru w cząsteczce PCB maleje stopień biodegradacji) oraz budowy przestrzennej cząsteczki (kongenery PCB posiadające w pierścieniu bifenylu dwa lub więcej atomów chloru w pozycji ortho trudniej ulegają biodegradacji, aniżeli non-ortho lub mono-ortho, z kolei polichlorowane bifenyle, w których atomy chloru występują tylko na jednym pierścieniu fenylowym, są łatwiej biodegradowalne). Przeprowadzona analiza toksykologiczna wykazała obniżenie toksyczności badanej gleby ze stopnia toksyczności TU = 26,7 do TU = 6,1. Ponadto testy typu toxkit (PhytotoxkitTM i Ostracodtoxkit FTM) wykazały obniżenie zahamowania wzrostu organizmów testowych z 69,3% do 14,8% (test Ostracodtoxkit FTM) oraz z poziomu 64,7–78,0% do 11,9–17,5% (test PhytotoxkitTM). Obniżenie wskaźnika mutagenności z 8,3 do 1,5 w teście Amesa potwierdziło skuteczność przeprowadzonego procesu oczyszczania. Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzonego eksperymentu sformułowano wnioski dotyczące zagadnień związanych z biodegradacją polichlorowanych bifenyli w glebie.

Słowa kluczowe

EN

biodegradation; polychlorinated biphenyls; soil; chromatographic analysis; toxicological tests

PL

biodegradacja; polichlorowane bifenyle; gleba; analiza chromatograficzna; testy toksykologiczne

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 76, nr 8
• Strony: 507--516
• Opis fizyczny: Bibliogr. 51 poz.

Twórcy

autor

Wojtowicz Katarzyna

• Oil and Gas Institute – National Research Institute

autor

Steliga Teresa

• Oil and Gas Institute – National Research Institute

Bibliografia

• Atago Y., Shimodaira J., Araki N., Othman N.B., Zakaria Z., Fukuda M., Futami J., Hara H., 2016. Identification of novel extracellular protein for PCB/biphenyl metabolism in Rhodococcus jostii RHA1. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 80(5): 1012–1019. DOI:10.1080/09168451.2015.1127134.
• Baran A., Tarnawski M., 2013. Phytotoxkit/Phytotestkit and Microtox® as tools for toxicity assessment of sediments. Ecotoxicology and Environmental Safety, 98: 19–27. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2013.10.010.
• Blanco-Moreno R., Sáez L.P., Luque-Almagro V.M., Roldán M.D., Moreno-Vivián C., 2017. Isolation of bacterial strains able to degrade biphenyl, diphenyl ether and the heat transfer fluid used in thermo-solar plants. New Biotechnology, 35: 35–41. DOI:10.1016/j.nbt.2016.11.003.
• Blinova I., Bityukova L., Kasemets K., Ivask A., Käkinen A., Kurvet I., Bondarenko O., Kanarbik L., Sihtmäe M., Aruoja V., Schvede H., Kahru A., 2012. Environmental hazard of oil shale combustion fly ash. Journal of Hazardous Materials, 229–230: 192–200. DOI:10.1016/j.jhazmat.2012.05.095.
• Borja J., Taleon D.M., Auresenia J., Gallardo S., 2005. Polychlorinated Biphenyls and Their Biodegradation. Process Biochemistry, 40: 1999–2013. DOI: 10.1016/j.procbio.2004.08.006.
• Brzeszcz J., 2017. Drobnoustroje środowiskowe, zdolne do jednoczesnego rozkładu węglowodorów alifatycznych i aromatycznych – perspektywy wykorzystania w praktyce bioremediacji gleb zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi. Rozprawa doktorska, Wydział Biologii i Nauk o Ziemi UJ.
• Chakraborty J., Das S., 2016. Haracterization of the metabolic pathway and catabolic gene expression in biphenyl degrading marine bacterium Pseudomonas aeruginosa JP-11. Chemosphere, 144: 1706–1714. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2015.10.059.
• Chung S.Y., Maeda M., Song E., Horikoshij K., Kudo T., 1994. A Gram positive polychlorinated biphenyl degrading bacterium, Rhodococcus erythropolis strain TA421, isolated from a termite ecosystem. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 58(11): 2111–2113. DOI: 10.1271/bbb.58.2111.
• Čvančarová M., Křesinová Z., Filipová A., Covino S., Cajthaml T., 2012. Biodegradation of PCBs by ligninolytic fungi and characterization of the degradation products. Chemosphere, 88(11): 1317–1323. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2012.03.107.
• Dudášová H., Lukáčová L., Murínová S., Puškárová A., Pangallo D., Dercová K., 2014. Bacterial strains isolated from PCB-contaminated sedimentsand their use for bioaugmentation strategy in microcosms. Journal of Basic Microbiology, 54: 253–260. DOI 10.1002/jobm.201200369.
• Foucault Y., Durand M.J., Tack K., Schreck E., Geret F., Leveque T., Pradère P., Goix S., Dumat C., 2013. Use of ecotoxicity test and ecoscores to improve the management of polluted soils: case of a secondary lead smelter plant. Journal of Hazardous Materials, 246– 247: 291–299. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2012.12.042.
• Furukawa K., Fujihara H., 2008. Microbial degradation of polychlorinated biphenyls: Biochemical and molecular features. Journal of Bioscience and Bioengineering, 105(5): 433–449. DOI: 10.1263/jbb.105.433.
• Kania-Korwel I., Lehmler H.J., 2016. Toxicokinetics of chiral polychlorinated biphenyls across different species – a review. Environmental Science and Pollution Research, 23(3): 2058–2080.
• Kim C-H., Lim D., Keum Y-S., 2016. Biodegradation Pathways of Polychlorinated Biphenyls by Soil Fungus Aspergillus Niger. The Korean Journal of Pesticide Science, 20(q): 7–13. DOI: 10.7585/kjps.2016.20.1.7.
• Lászlová K., Dudášová H., Olejníková P., Horváthová G., Velická Z., Horváthová H., Dercová K., 2018. The Application of Biosurfactants in Bioremediation of the Aged Sediment Contaminated with Polychlorinated Biphenyls. Water, Air, & Soil Pollution, 229(219): 1–18. DOI: 10.1007/s11270-018-3872-4.
• Leigh M.B., Prouzová P., Macková M., Macek T., Nagle D.P., Fletcher J.S., 2006. Polychlorinated Biphenyl (PCB)-Degrading Bacteria Associated with Trees in a PCB-Contaminated Site. Applied and Environmental Microbiology, 72(4): 2331–2342. DOI: 10.1128/AEM.72.4.2331-2342.2006.
• Li H., Liu L., Lin C., Wang S., 2011. Plant uptake and in soil degradation of PCB-5 under varying cropping conditions. Chemosphere, 84: 943–949. DOI:10.1016/j.chemosphere.2011.06.007.
• Liang Y., Martinez A., Hornbuckle K.C., Mattes T.E., 2014. Potential for Polychlorinated Biphenyl Biodegradation in Sediments from Indiana Harbor and Ship Canal. International Biodeterioration & Biodegradation, 89: 50–57. DOI: 10.1016/j.ibiod.2014.01.005.
• Lima T.M., Procópio L.C., Brandão F.D., Leão B.A., Tótola M.R., Borges A.C., 2011. Evaluation of bacterial surfactant toxicity towards petroleum degrading microorganisms. Bioresource Technology, 102(3): 2957–2964. DOI: 0.1016/j.biortech.2010.09.109.
• Lu Y.F., Lu M., Peng F., Liao M.H., 2014. Remediation of polychlorinated biphenyl-contaminated soil by using a combination of ryegrass, arbuscular mycorrhizal fungi and earthworms. Chemosphere, 106: 44–50. DOI:10.1016/j.chemosphere.2013.
• Lunt D., Evans W.C., 1970. The microbial metabolism of biphenyl. Biochemical Journal, 118(3): 54–55. DOI: 10.1042/bj1180054pb.
• Maminidy-Pajany Y., Hamer B., Romeo M., Geret F., Galgani F., Durmisi E., Hurel C., Marmie N., 2011. The Toxicity of composted sediments from mediterranean ports evaluated by several bioassays. Chemosphere, 82(3): 62–69. DOI:10.1016/j.chemosphere.2010.10.005.
• Mouhamadou B., Faure M., Sage L., Marcais J., Souard F., Geremia R.A., 2013. Potential of autochthonous fungal strains isolated from contaminated soils for degradation of polychlorinated biphenyls. Fungal Biology, 117(4): 268–274. DOI: 10.1016/j.funbio.2013.02.004.
• Niyommaneerat W., Nakajima F., Tobino T., Yamamoto K., 2017. Development of a chronic sediment toxicity test using the benthic ostracod Heterocypris incongruens and their application to toxicity assessments of urban road dust. Ecotoxicology and Environmental Safety, 143: 266–274. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2017.05.011.
• Nwankwegu A.S., Orji M.UOnwosi., C.O., 2016. Studies on organic and in-organic biostimulants in bioremediation of diesel-contaminated arable soil. Chemosphere, 162: 148–156. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2016.07.074.
• Oh S.Y., Yoon H.S., Jeong T.Y., Kim S.D., 2015. Evaluation of remediation processes for explosive-contaminated soils: kinetics and Microtox® bioassay. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 91(4): 928–937. DOI: 10.1002/ jctb.4658.
• Oleszczuk P., Jośko I., Kuśmierz M., Futa B., Wielgosz E., Ligęza S., Pranagal J., 2014. Microbiological, biochemical and ecotoxicological evaluation of soils in the area of biochar production in relation to polycyclic aromatic hydrocarbon content. Geoderma, 213: 502–511. DOI: 10.1016/j.geoderma.2013.08.027.
• Passatore L., Rossetti S., Juwarkar A.A., Massacci A., 2014. Phytoremediation and bioremediation of polychlorinated biphenyls (PCBs): State of knowledge and research perspectives. Journal of Hazardous Materials, 278: 189–202. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2014.05.051.
• Pathiraja G., Egodawatta P., Goonetilleke A., Teo V.S., 2019. Effective degradation of polychlorinated biphenyls by a facultative anaerobic bacterial consortium using alternating anaerobic aerobic treatments. Science of The Total Environment, 659: 507-514. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2018.12.385.
• Petrić I., Hršak D., Fingler S., Vanćina E., Ćetković H., Kolara A.B., Kolić N.U., 2007. Enrichment and Characterization of PCB-Degrading Bacteria as Potential Seed Cultures for Bioremediation of Contaminated Soil. Food Technology and Biotechnology, 45: 11–20.
• Ponce B.L., Latorre V.K., González M., Seege M., 2011. Antioxidant compounds improved PCB-degradation by Burkholderia xenovorans strain LB400. Enzyme and Microbial Technology, 9(6-7): 509–516. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2011.04.021.
• Shleeva M.O., Bagramyan K., Telkov M.V., Mukamolova G.V., Young M., Kell D.B., Kaprelyants A.S., 2002. Formation and resuscitation of ‘nonculturable’ cells of Rhodococcus rhodochrous and Mycobacterium tuberculosis in prolonged stationary phase. Microbiology, 148: 1581–1591.
• Shumkova E.S., Olsson B.E., Kudryavtseva A.V., Plotnikova E.G., 2015. Draft genome sequence of Rhodococcus ruber strain P25, an active polychlorinated biphenyl degrader. Genome Announcements, 3(5). DOI: 10.1128/genomeA.00990-15.
• Siebielska I., 2009. Kinetyka przemian polichlorowanych bifenyli w czasie kompostowania. ŚRocznik Ochrona Środowiska, 11: 473–483.
• Sierra I., Valera J.L., Marina M.L., Laborda F., 2003. Study of the biodegradation process of polychlorinated biphenyls in liquid medium and soil by a new isolated aerobic bacterium (Janibacter sp.). Chemosphere, 53(6). DOI: 10.1016/S0045-6535(03)00418-1.
• Siracusa G., Becarelli S., Lorenzi R., Gentini A., Di Gregorio S., 2017. PCB in the environment: bio-based processes for soil decontamination andmanagement of waste from the industrial production of Pleurotus ostreatus. New Biotechnology, 39: 232–239. DOI:10.1016/j.nbt.2017.08.011.
• Slater H., Gouin T., Leigh M.B., 2011. Assessing the potential for rhizoremediation of PCB contaminated soils in northern regions using native species. Chemosphere, 84: 199–206. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2011.04.058.
• Steliga T., Jakubowicz P., Kapusta P., 2012. Changes in toxicity during in situ bioremediation of weathered drill wastes contaminated with petroleum hydrocarbons. Bioresource Technology, 125: 1–10. DOI: org/10.1016/j.biortech.2012.08.092.
• Steliga T., Jakubowicz P., Kapusta P., Kluk D., 2018a. Badania biodegradacji zestarzałych odpadów wiertniczych zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi. Przemysł Chemiczny, 97(10): 1666–1675. DOI: 10.151999/62.2018.10.7.
• Steliga T., Jakubowicz P., Wojtowicz K., Kluk D., 2018b. Zastosowanie testów toksykologicznych w przemyśle naftowym. Nafta-Gaz, 9: 684–689. DOI: 10.18668/NG.2018.09.07.
• Steliga T., Kluk D., 2019. Potential of Helianthus annuus for phytoremediation of lead, zinc, total petroleum hydrocarbons (TPH) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contaminated soil. Nafta-Gaz, 7: 379–387. DOI: 10.18668/NG.2019.07.01.
• Stella T., Covino S., Čvančarová M., Filipová A., Petruccioli M., D’Annibale A., Cajthaml T., 2017. Bioremediation of long-term PCBcontaminated soil by white-rot fungi. Journal of Hazardous Materials, 324(B): 701–710. DOI:10.1016/j.jhazmat.2016.11.044.
• Suenaga H., Fujihara H., Kimura N., Hirose J., Watanabe T., Futagami T., Goto M., Shimodaira J., Furukawa K., 2017. Insights into the genomic plasticity of Pseudomonas putida KF715, a strain with unique biphenyl-utilizing activity and genome instability properties. Environtal Microbiology Reports, 5: 589–598. DOI: 10.1111/1758-2229.12561.
• Suyamud B., Inthorn D., Panyapinyopol B., Thiravetyan P., 2018. Biodegradation of Bisphenol A by a Newly Isolated Bacillus megaterium Strain ISO-2 from a Polycarbonate Industrial Wastewater. Water, Air & Soil Pollution, 229–348. DOI:10.1007/s11270-018-3983-y.
• Teng Y., Li X., Chen T., Zhang M., Wang X., Li Z., Luo Y., 2016. Isolation of the PCB-degrading bacteria Mesorhizobium sp. ZY1 and its combined remediation with Astragalus sinicus L. for contaminated soil. International Journal of Phytoremediation, 18(2): 141–149. DOI: 10.1080/15226514.2015.1073667.
• Trusz-Zdybek A., Szymczycha-Madeja A., Traczewska T.M., Piekarska K., 2012. Zastosowanie systemu microtox w bioindykacji próbek środowiskowych. Kosmos, 61(3): 417–423.
• Vasilyeva G.K., Strijakowa E.R., 2007. Bioremediation of soils and sediments contaminated by polychlorinated biphenyls. Microbiology, 76(6): 639–653. DOI: 10.1134/S002626170706001X.
• Vijay U., Gupta S., Mathur P., Suravajhala P., Bhatnagar P., 2018. Microbial Mutagenicity Assay: Ames Test. Bio-protocol, 8(6): 1–15. DOI:10.21769/BioProtoc.2763.
• Wang X., Teng Y., Luo Y., Dick R.P., 2016. Biodegradation of 3, 3, 4, 4- tetrachlorobophenyl by Sinorhizobium meliliti NM. Bioresource Technology, 201: 261–268. DOI: 10.1016/j.biortech.2015.11.056.
• Wojtowicz K., Jakubowicz P., 2019. Opracowanie metodyki oznaczania polichlorowanych bifenyli w próbkach gleb. Nafta-Gaz, 7: 420–429. DOI: 10.18668/NG.2019.07.06.
• Wu M., Li W., Dick W.A., Ye X., Chen K., Kost D., Chen L., 2017. Bioremediation of hydrocarbon degradation in a petroleumcontaminated soil and microbial population and activity determination. Chemosphere, 169: 124–130. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2016.11.059.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).