Ex situ bioremediation of soil polluted with oily waste: the use of specialized microbial consortia for process bioaugmentation

• Autorzy: Kaszycki P. , Petryszak P. , Pawlik M. , Kołoczek H.

Warianty tytułu

PL

Bioremediacja zaolejonych gruntów metodą ex situ: bioaugementacja procesu z wykorzystaniem specjalistycznych konsorcjów drobnoustrojów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Spontaneous, natural self-attenuation of oil-derived pollution in a ground-water environment is relatively slow and for this reason several intensification actions are necessary to speed up the process. For the case of contaminated soil, the most favorable treatment method is ex situ bioremediation, in which the ground is removed from its original site and then formed into piles located in separated cleanup sites. This enables easy adjustment and control of the process parameters and allows for taking other optimization actions such as bioaugmentation with specially-prepared microorganism cultures. The experimental part of the work was done to establish optimal conditions for the development and action of soil-derived bacterial community used as inoculum to augment bioremediation of organic compounds. The study involved two specially-constructed test piles (A and B), each of 120 cm height and area of 10 m2, made of soil polluted with petroleum waste (the average contaminant content was 4300 mg ź kg–1). The soil was ground and fluffed by admixture of 10% bark, then supplemented with the necessary minerals and watered to provide conditions favoring microorganism growth. Next, the microbial consortium was inoculated. Free aeration was provided in pile (A) by frequent mechanical mixing, whereas pile (B) remained unmixed and was only re-inoculated with fresh microorganism cultures. The level of high-boiling organic contaminants as well as the cell density was monitored with standard methods. In pile (A) a rapid drop of oil-derived compounds content was observed and the value of 600 mg ź kg–1 was achieved within 6 weeks. In pile (B) the effect was poor (3240 mg ź kg–1 within 13 weeks) despite high bacterial frequency (108 cells ź g–1). These results indicate that the lack of free gas exchange was a factor hampering microorganism metabolism and thus limiting bioremediation process. The method of intensified bioremediation was applied to biodegrade high levels of recalcitrant contaminants on a large scale at the industrial ex-situ soil cleanup site. Two technological piles (150 cm high) were formed using soil mixed with oily substances: (P1), total volume of 180 m3, containing post-refinery sludges at 24000 mg ź kg–1 concentration and (P2) of 90 m3, containing oil-separator slurries at 114000 mg ź kg–1. The oxygen penetration was provided with a passive aeration system made of drainage-pipes. In order to obtain maximum process kinetics, the piles were frequently surface-sprayed with fresh microbial suspensions enriched with autochthonous bacteria. After inoculation, the soil bacteria population increased by 16 to 42 times and reached the value of 3.6 ź 106 cells ź g–1. The described optimization actions, applied for the first stage of the long-term bioremediation project, enabled to achieve significant contaminant removal rates: over 3.5-fold at the site P1 (the resultant value of 6650 mg ź kg–1 accomplished within 6 months) and over 5-fold at P2 (22900 mg ź kg–1 within 4.5 months).

PL

Procesy spontanicznego samooczyszczania środowiska gruntowo-wodnego, zanieczyszczonego związkami ropopochodnymi, przebiegają wolno i dlatego, w celu przyśpieszenia procesu rekultywacji skażonych obszarów, jest konieczne stosowanie zabiegów intensyfikacyjnych. W przypadku oczyszczania skażeń w gruncie uzyskuje się najkorzystniejsze efekty, stosując metodę bioremediacji ex situ, tzn. umieszczenia gruntu na wydzielonych stanowiskach oczyszczania. Możliwe jest wówczas efektywne i w pełni kontrolowane ustalanie parametrów procesowych. Jednym z zabiegów optymalizacyjnych jest bioaugmentacja procesu z wykorzystaniem specjalnie przygotowanych mikroorganizmów. W eksperymentalnej części pracy określono warunki optymalnego działania drobnoustrojów glebowych, wchodzących w skład konsorcjum stosowanego do wspomagania bioremediacji skażeń organicznych. Badania prowadzono w dwóch specjalnie skonstruowanych pryzmach testowych (A i B) o wysokości 120 cm i powierzchni 10 m2, usypanych z zaolejonej ziemi (średnia zawartość zanieczyszczeń wynosiła 4300 mg ź kg–1). Grunt został rozdrobniony, spulchniony ok. 10% domieszką kory, zasilony niezbędnymi substancjami mineralnymi oraz nawodniony tak, aby stworzyć optymalne warunki dla mikroorganizmów, a następnie zaszczepiony biopreparatem. W pryzmie (A) zapewniono wymianę gazową poprzez częste mechaniczne mieszanie, podczas gdy do pryzmy (B) jedynie doszczepiano świeże kultury drobnoustrojów. Zawartość skażeń monitorowano według standardowej procedury oznaczania wysokowrzących substancji organicznych w glebie. Liczebność mikroorganizmów glebowych określano standardową, płytkową metodą Kocha. W pryzmie (A) nastąpiło dynamiczne zmniejszenie koncentracji związków ropopochodnych (do 600 mg ź kg–1 w ciągu 6 tygodni), natomiast w pryzmie (B) zaobserwowany spadek był niewielki (do 3240 mg ź kg–1 po 13 tygodniach), pomimo dużej liczebności bakterii (ok. 108 kom. ź g–1). Wynik ten wskazuje, że warunkiem ograniczającym bioremediację był brak swobodnej wymiany gazowej hamujący metabolizm drobnoustrojów. Metodę intensyfikowanej bioremediacji zastosowano w celu biodegradacji dużych stężeń uciążliwych zanieczyszczeń na przemysłowym stanowisku oczyszczania gruntu ex situ. Utworzono pryzmy technologiczne o wysokości 150 cm i objętości 180 m3 (P1) i 90 m3 (P2), w których ziemia została zmieszana, odpowiednio z osadami porafineryjnymi (24 000 mg ź kg–1) oraz ze szlamami z separatorów olejowych (114 000 mg ź kg–1). Penetrację tlenu zapewniono poprzez system biernej aeracji, utworzony z sieci rur drenarskich. Pryzmy wielokrotnie zraszano powierzchniowo zawiesiną biopreparatu wzbogaconego o drobnoustroje autochtoniczne w celu uzyskania maksymalnej szybkości procesu. Liczebność drobnoustrojów w glebie wzrosła, po zaszczepieniu, od 16 do 42 razy, osiągając wartość 3,6 ź 106 kom. ź g–1. Opisane zabiegi optymalizacyjne, stanowiące pierwszą fazę projektu bioremediacji, pozwoliły na uzyskanie znaczącego obniżenia poziomu zanieczyszczeń: ponad 3,5-krotnego na stanowisku P1 (do 6650 mg ź kg–1 w ciągu 6 miesięcy) oraz ponad 5-krotnego na pryzmie P2 (do 22 900 mg ź kg–1 w ciągu 4,5 miesiąca).

Słowa kluczowe

EN

ex situ bioremediation; petroleum-derived contaminants; sludges; biorecultivation of soil

PL

bioremediacja ex situ; zanieczyszczenia ropopochodne; szlamy; biorekultywacja ziemi

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. S
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 18, nr 1
• Strony: 83--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kaszycki P.

autor

Petryszak P.

autor

Pawlik M.

autor

Kołoczek H.

• Department of Biochemistry, Faculty of Horticulture, University of Agriculture in Krakow, al. 29 Listopada 54, 31-425 Kraków, tel. [phone], fax [phone],

Bibliografia

• [1] Agathos S.N. and Reineke W.: Biotechnology for the Environment: Soil Remediation. Kluwer Academic Publishers, Boston 2002.
• [2] McAllister P.M. and Chiang C.Y.: Ground Water Monit., 1994, 14, 161-173.
• [3] EPA Manual (EPA 510-B-94-003; EPA 510-B-95-007 and EPA 510-R-04-002) How to Evaluate Alternative Cleanup Technologies for Underground Storage Tank Sites: A Guide for Corrective Action Plan Reviewers. U.S. Environmental Protection Agency, 2004.
• [4] Zhu X., Venosa A.D. and Suidan M.T.: Literature review on the use of commercial bioremediation agents for cleanup of oil-contaminated estuarine environments. EPA/600/R-04/075 U.S. Environmental Protection Agency, 2004.
• [5] Van Hamme J.D., Singh A. and Ward O.P.: Microbiol. Mol. Biol., 2003, 67, 503-549.
• [6] Kaszycki P., Pawlik M., Petryszak P. and Kołoczek H.: Ecol. Chem. Eng. A, 2010, 17(4-5), 405-414.
• [7] Lovley D.R.: Nat. Rev. Microbiol., 2003, 1, 35-44.
• [8] IARC (International Agency for Research on Cancer) Occupational Exposures in Petroleum Refining: Crude Oil and Major Petroleum Fuels, vol. 45. IARC Monograph, Lyon, France, 1989.
• [9] Fewson C.A.: Trends Biotechnol., 1988, 6, 148-153.
• [10] Surygała J.: Petroleum contaminants in ground (in Polish). Oficyna Wyd. Polit. Wrocławskiej, Wrocław 2000.
• [11] Kołoczek H. and Kaszycki P.: [in:] Methods of hydrocarbon contaminants removal from ground-water environment. S. Rychlicki (Ed.). AGH Uczelniane Wyd. Nauk.-Dydakt., Kraków 2006.
• [12] Kaszycki P., Szumilas P. and Kołoczek H.: Inż. Ekol., 2001, 4, 15-22.
• [13] Kaszycki P., Petryszak P. and Kołoczek H.: World J. Microbiol. Biotechnol., 2011, submitted.
• [14] Top E.M., Springael D. and Boon N.: FEMS Microbiol. Ecol., 2002, 42, 199-208.