Potential of Helianthus annuus for phytoremediation of lead, zinc, total petroleum hydrocarbons (TPH) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) contaminated soil

• Autorzy: Kluk Dorota , Steliga Teresa

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2019.07.01

Warianty tytułu

PL

Potencjał Helianthus annuus w fitoremediacji gleb zanieczyszczonych: cynkiem, ołowiem, substancjami ropopochodnymi (TPH) i wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper describes the results regarding effectiveness of treatment of soils contaminated with heavy metals (lead, zinc), total petroleum hydrocarbons (TPH) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs): naphthalene (Nap), phenanthrene (Phe), fluoranthene (Flt), chrysene(Chr), in the process of phytoremediation carried out a laboratory scale with the plant Helianthus annuus. The reason behind the work was to investigate how plant vegetation can reduce the concentration of heavy metals in the soil and how the presence of petroleum substances and polycyclic aromatic hydrocarbons affect the efficiency of their removal. The analysis was based on the dynamics of cleaning the contaminated soils which contained periodic testing on physical, chemical and toxicological properties of: uncontaminated soil, soil contaminated with TPH and PAHs, soil contaminated with heavy metals, soil contaminated with heavy metals and petroleum substances. Phytoremediation of soils and its effectiveness in pot experiments was assessed based on physical and chemical soil analyses as well as five microbiotests applying organisms belonging to three trophic levels: producers (PhytotoxkitTM and Spirodela Duckweed Toxkit), consumers (OstracodtoxkitTM) and decomposers (Microtox ®STP, MARA). The conducted research has shown that combining the results of chemical analyzes and biological tests on contaminated soils enable a real ecotoxicological assessment of environmental hazards. Six-month long phytoremediation of soils contaminated with heavy metals (Pb, Zn), and heavy metals together with petroleum substances (TPH, PAHs), yielded results in terms of a content reduction of: lead (from of 472–495 mg/kg dry mass of soil to 226–318 mg/kg d.m.), zinc (from 998– 1030 mg/kg d.m. to 520–656 mg/kg d.m.), TPH (from 4806-4824 mg/kg d.m. to 2774–3180 mg/kg d.m.) and PAH (removal rates of Nap: at 28,0–29.9%, Phe: at 25.1–27.0%, Flt: at 24–26,3%, Chr: at 14.5–18.6%). After finishing the experiment the content of lead and zinc in the plant biomass was also measured. Based on the obtained results, conclusions were made regarding issues related to usage of phytoremediation to clean contaminated soils depending on the concentration and type of toxic substance.

PL

: W artykule opisano wyniki efektywności oczyszczania gleb zanieczyszczonych metalami ciężkimi (ołów, cynk), substancjami ropopochodnymi oraz wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi, takimi jak: naftalen (Nap), fenantren (Phe), fluoranten (Flt), chryzen (Chr), na drodze fitoremediacji, do której przeprowadzenia wykorzystano Helianthus annuus. Badania odbywały się w skali laboratoryjnej. Celem prowadzonych prac było zbadanie, jak wegetacja roślin może ograniczyć stężenie metali ciężkich w glebie oraz w jaki sposób obecność substancji ropopochodnych i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych wpływa na efektywność ich usuwania. Analiza dynamiki oczyszczania skażonych gleb polegała na periodycznym badaniu właściwości fizycznych, chemicznych i toksykologicznych: gleby niezanieczyszczonej, gleby zanieczyszczonej substancjami ropopochodnymi TPH i WWA, gleby zanieczyszczonej metalami ciężkimi oraz gleby zanieczyszczonej metalami ciężkimi w obecności substancji ropopochodnych. Ocenę efektywności fitoremediacji gleb w eksperymentach wazonowych prowadzono na podstawie wyników analiz fizycznych i chemicznych gleb oraz pięciu mikrobiotestów zawierających organizmy należące do trzech poziomów troficznych: producentów (Phytotoxkit™ i Spirodela Duckweed Toxkit), konsumentów (Ostracodtoxkit™) oraz reducentów (Microtox® SPT, MARA). Wykonane badania wykazały, że połączenie wyników analiz chemicznych i testów biologicznych zanieczyszczonych gruntów umożliwia realną ekotoksykologiczną ocenę zagrożenia dla środowiska. W wyniku prowadzonego sześciomiesięcznego procesu fitoremediacji gleb skażonych metalami ciężkimi (Pb, Zn) oraz metalami ciężkimi, TPH i WWA osiągnięto obniżenie zawartości: ołowiu (z zakresu 472–495 mg/kg s.m. do 226–318 mg/kg s.m.), cynku (z poziomu 998–1030 mg/kg s.m. do 520–656 mg/kg s.m.), TPH (z 4806–4824 mg/kg s.m. do poziomu 2774–3180 mg/kg s.m.) oraz WWA (Nap: o 28,0–29,9%, Phe: o 25,1–27,0%, Flt: o 24–26,3%, Chr: o 14,5–18,6%). Po zakończeniu 6-miesięcznego procesu fitoremediacji wykonano analizę chemiczną materiału roślinnego celem określenia zawartości ołowiu i cynku. Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzonego eksperymentu sformułowano wnioski dotyczące zagadnień związanych z zastosowaniem fitoremediacji w procesie oczyszczania skażonych gleb w zależności od stężenia i rodzaju substancji toksycznej.

Słowa kluczowe

EN

soil; phytoremediation; zinc; lead; petroleum substances; TPH; PAH; toxicological tests

PL

gleba; fitoremediacja; cynk; ołów; substancje ropopochodne; TPH; WWA; testy toksykologiczne

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 75, nr 7
• Strony: 379--387
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz.

Twórcy

autor

Kluk Dorota

• Oil and Gas Institute – National Research Institute

autor

Steliga Teresa

• Oil and Gas Institute – National Research Institute

Bibliografia

• Atagana H.I., 2011. Bioremediation of Co-contamination of Crude Oil and Heavy Metals in Soil by Phytoremediation Using Chromolaena odorata (L) King & H.E. Robinson. Water, Air, & Soil Pollution, 215 (1–4): 261-271. DOI: 10.1007/s11270-010-0476-z.
• 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.
• Baudo R., Foudoulakis M., Arapis G., Perdaen K., Lanneau W., Paxinou A.-C.M., Kouvdou S., Persoone G., 2015. History and sensitivity comparison of the Spirodela polyrhiza microbiotest and Lemna toxicity tests. Knowledge and Management of Aquatic Ecosystems, 416, 23: 1–16. DOI: 10.1051/kmae/2015019.
• Bielińska E.J., Futa B., Ukalska-Jaruga A., Weber J., Chmielewski Sz., Wesołowska S., Mocek-Płóciniak A., Patkowski K., Mielnik L., 2018. Mutual relations between PAHs derived from atmospheric deposition, enzymatic activity, and humic substances in soils of differently urbanized areas. Journal of Soils and Sediments, 18: 2682–2691. DOI: 10.1007/s11368-018-1937-z.
• Doni S., Macci C, Peruzzi E, Arenella M, Ceccanti B, Masciandaro G., 2012. In situ phytoremediation of a soil historically contaminated by metals, hydrocarbons and polychlorobiphenyls. Journal of Environmental Monitoring, 14: 1383–1390. DOI: 10.1039/c2em11016d.
• Fai P.B., Grant A., 2010. An assessment of the potential of the microbial assay for risk assessment (MARA) for ecotoxicological testing. Ecotoxicology, 19: 1626–1633. DOI: 10.1007/s10646-010-0548-2.
• 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, 246-247:291–9. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2012.12.042.
• Gabrielson J., Kühn I., Colque-Navarro P., Hart M., Iversen A., McKenzie D., Möllby R., 2003. Microplate-based microbial assay for risk assessment and (eco)toxic fingerprinting of chemicals. Analytica Chimica Acta, 485(1): 121–130, DOI:10.1016/S0003-2670(03)00404-5.
• Gałązka A., Gałązka R., 2016. Phytoremediation of chemically contaminated soils. [In:] Kropiwiec K., Szala M. (eds.) Microbiology and analytical methods in science (In Polish). Wyd. Naukowe TYGIEL sp. z o.o.: 71–84
• Grobelak A., Kasprzak M., Fijałkowski K., 2010. Phytoremediation – the underestimated potential of plants in cleaning up the environment (In Polish). Journal of Ecology and Health. 14, 6: 276–280.
• Jacob J.M., Karthik Ch., Saratale R.G., Kumar S.S., Prabakar D., Kadirvelu K. Pugazhendhi A., 2018. Biological approaches to tackle heavy metal pollution: A survey of literature. Journal of Environmental Management, 217: 56–70. DOI: 10.1016/j.jenvman.2018.03.077.
• Jakubowicz P., Steliga T., Kluk D., 2013. Estimation of severe toxicity alternations in deposit waters using ecotoxicological tests (In Polish). Nafta-Gaz, 5: 409-417.
• Jakubus M.B., Tatuśko N., 2015. Review of selected biological methods of assessing the quality of natural environment. Inżynieria Ekologiczna, 42: 78–86. DOI: 10.12912/23920629/1989.
• Kacprzak M.J., Rosikon K., Fijalkowski K., Grobelak A., 2014. The Effect of trichoderma on heavy metal mobility and uptake by Miscanthus giganteus, Salix sp., Phalaris arundinacea, and Panicum virgatum. Applied and Environmental Soil Science, ID 506142: 1–10. DOI:10.1155/2014/506142.
• Khoramnejadian S., Khoramnejadian S., 2013. Phytoremediation of Heavy Metals and Total Petroleum Hydrocarbons by Amaranth. Journal of Biology and Today’s World, 2 (12): 514–516.
• Kluk D. Steliga T., 2016. An effective method for the identification of total petroleum hydrocarbons (TPH) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils (In Polish). Nafta-Gaz, 4: 230–241. DOI: 10.18668/NG.2016.04.02.
• Mankiewicz-Boczek J., Nałęcz-Jawecki G., Drobniewska A., Kaza M., Sumorok B., Izydorczyk K., Zalewski M., Sawicki J., 2008. Application of a microbiotests battery for complete toxicity assessment of rivers. Ecotoxicology and Environmental Safety, 71 (3): 830–836. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2008.02.023.
• Marecik R., Króliczak P., Cyplik P., 2006. Phytoremediation – and alternative for traditional methods of environmental cleaning (In Polish). Biotechnologia, 3 (74), 88–97.
• 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.
• 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.
• Posmyk K., Urbaniak M., 2014. Phytoremediation as a biological method of environmental cleaning (In Polish). Aura, 7, 10–12.
• Sekutowski T., Bartniak M., 2009. Usage of microbiotest phytotoxkit in detecting of allelopathic potential of phalaris arundinacea (In Polish). Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 54 (4): 88–93.
• Steliga T., Jakubowicz, P.,Wojtowicz K., Kluk D., 2018. Application of toxicological tests in oil industry (In Polish). Nafta-Gaz, 9: 684–689. DOI: 10.18668/NG.2018.09.07.
• Steliga T., Kluk D., 2017. Assessment of the composition of pollutionof soil contaminated with TPH and PAHs for the development of the bioremediation technology (In Polish). Prace Naukowe INiG – PIB, 215: 1–211.
• Zima G., 2012. The use of the bioindication method to evaluate the toxicity of chemicals used in the composition of drilling fluids (In Polish). Nafta-Gaz, 2: 115–122.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).