Badania laboratoryjne wpływu dodatku γ-PGA na efektywność biodegradacji węglowodorów ropopochodnych

• Autorzy: Wojtowicz Katarzyna , Steliga Teresa , Skalski Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2022.09.04

Warianty tytułu

EN

Laboratory studies of the influence of the γ-PGA additive on the efficiency of biodegradation of petroleum hydrocarbons

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono zagadnienia związane z biodegradacją węglowodorów ropopochodnych (TPH – suma węglowodorów ropopochodnych, BTEX – węglowodory monoaromatyczne, WWA – wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne) w glebie na drodze inokulacji biopreparatem opracowanym na bazie autochtonicznych szczepów bakteryjnych oraz mieszaninami biopreparatu z roztworem γ-PGA. Badania biodegradacji prowadzono w warunkach laboratoryjnych z wykorzystaniem zestawu Oxi-Top. Materiał badawczy stanowiła gleba pobrana z terenu dołu urobkowego charakteryzująca się wysokim stężeniem węglowodorów ropopochodnych. W badaniach biodegradacji zastosowano cztery sposoby inokulacji: wariant A (biopreparat), wariant B (biopreparat i roztwór γ-PGA w stosunku objętościowym 2 : 1), wariant C (biopreparat i roztwór γ-PGA w stosunku objętościowym 1 : 1) oraz wariant D (biopreparat i roztwór γ-PGA w stosunku objętościowym 1 : 2). Efektywność biodegradacji oceniono na podstawie przeprowadzonych badań respirometrycznych oraz analiz chromatograficznych. Wartości aktywności mikrobiologicznej w próbkach gleby inokulowanych biopreparatem oraz roztworem γ-PGA po 60 dniach testu wynosiły 2040 mg O2/dm3 (wariant B), 3769 mg O2/dm3 (wariant C) i 5127 mg O2/dm3 (wariant D), natomiast w próbce inokulowanej samym biopreparatem (wariant A) oznaczono 1582 mg O2/dm3 . Wykonane analizy chromatograficzne wykazały, że stopień biodegradacji TPH po zakończeniu testu wynosił 36,78%, podczas gdy dodanie γ-PGA do biopreparatu spowodowało obniżenie zawartości TPH o 39,73% (wariant B), 42,37% (wariant C) oraz 44,34% (wariant D). Stopień biodegradacji BTEX w glebach inokulowanych biopreparatem z dodatkiem γ-PGA wynosił od 47,11% do 51,00%, natomiast bez dodatku γ-PGA 44,53%. Z kolei inokulacja gleby biopreparatem z dodatkiem γ-PGA spowodowała obniżenie zawartości WWA w badanej glebie o 32,18% (wariant B), 37,40% (wariant C), 39,62% (wariant D), a samym biopreparatem – o 29,40% (wariant A). Przeprowadzone badania laboratoryjne wykazały, że γ-PGA wpływa korzystnie na efektywność procesu biodegradacji substancji ropopochodnych takich jak węglowodory alifatyczne, węglowodory monoaromatyczne oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne.

EN

The article presents issues related to the biodegradation of petroleum hydrocarbons (TPH – total petroleum hydrocarbons, BTEX – monoaromatic hydrocarbons, PAH – polycyclic aromatic hydrocarbon) in soil by inoculation with a biopreparation based on autochthonous bacterial strains and mixtures of biopreparation with γ-PGA solution. The biodegradation tests were carried out in laboratory conditions with the use of the Oxi-Top kit. The test material was soil collected from the mining pit, characterized by high concentrations of petroleum hydrocarbons. In the biodegradation tests, four inoculation variants were applied: variant A (biopreparation), variant B (biopreparation and γ-PGA solution in a 2 : 1 volume ratio), variant C (biopreparation and γ-PGA solution in a 1 : 1 volume ratio) and variant D (biopreparation and γ-PGA solution in a 1 : 2 volume ratio). The biodegradation efficiency was assessed on the basis of respirometric tests and chromatographic analyzes. The values of microbial activity in soil samples inoculated with the biopreparation and the γ-PGA solution after 60 days of the test were 2,040 mg O2/dm3 (variant B), 3,769 mg O2/dm3 (variant C) and 5,127 mg O2/dm3 (variant D), while in the sample inoculated with the biopreparation alone 1,582 mg O2/dm3 variant A. The chromatographic analyzes carried out showed that the degree of TPH biodegradation after the end of the test was 36.78%, while the addition of γ-PGA to the biopreparation reduced the TPH content by 39.73% (variant B), 42.37% (variant C) and 44.34% (variant D). The degree of BTEX biodegradation in soils inoculated with the biopreparation with the addition of γ-PGA ranged from 47.11 to 51.00%, while in the variant without the addition of γ-PGA it was 44.53%. In turn, soil inoculation with the biopreparation with the addition of γ-PGA reduced the PAH content in the tested soil by 32.18% (variant B), 37.40% (variant C), 39.62% (variant D), and the biopreparation itself by 29.40% (variant A). Laboratory tests have shown that γ-PGA positively affects the efficiency of biodegradation process of petroleum substances such as aliphatic hydrocarbons, monoaromatic hydrocarbons and polycyclic aromatic hydrocarbons.

Słowa kluczowe

PL

biodegradacja; węglowodory ropopochodne; biopreparat; γ-PGA

EN

biodegradation; petroleum hydrocarbons; biopreparation; γ-PGA

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 78, nr 9
• Strony: 668--678
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Wojtowicz Katarzyna

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Steliga Teresa

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Skalski Tomasz

• Politechnika Śląska, Centrum Biotechnologii

Bibliografia

• Al-Hawash A.B., Dragh M.A., Li S., Alhujaily A., Abbood H.A., Zhang X., Ma F., 2018. Principles of microbial degradation of petroleum hydrocarbons in the environment. The Egyptian Journal of Aquatic Research, 44(2): 71–76. DOI: 10.1016/j.ejar.2018.06.001.
• Altschul S.F., Gish W., Miller W., Myers E.W., Lipman D.J., 1990. Basic local alignment search tool. Journal of Molecular Biology, 215:403–410. DOI: 10.1016/S0022-2836(05)80360-2.
• Barathi S., Vasudevan N., 2001. Utilization of petroleum hydrocarbons by Pseudomonas fluorescens isolated from a petroleum-contaminated soil. Environment International, 26(5–6): 413–416. DOI: 10.1016/S0160-4120(01)00021-6.
• Brzeszcz J., Kapusta P., Steliga T., Turkiewicz A., 2020. Hydrocarbon Removal by Two Differently Developed Microbial Inoculants and Comparing Their Actions with Biostimulation Treatment. Molecules, 25(3): 661. DOI: 10.3390/molecules25030661.
• Chaîneau C.H., Yepremian C., Vidalie J.F., Ducreux J., Ballerini D., 2003. Bioremediation of a Crude Oil-Polluted Soil: Biodegradation, Leaching and Toxicity Assessments. Water, Air, and Soil Pollution, 144: 419–440. DOI: 10.1023/A:1022935600698.
• Chatterjee P.M., Tiwari D.P., Raval R., Dubey A.K., 2019. Coherent aspects of multifaceted eco-friendly biopolymer – polyglutamic acid from the microbes. Journal of Pure and Applied Microbiology, 13(2): 741–756. DOI: 10.22207/JPAM.13.2.10.
• Cooney J.J., Silver S.A., Beck E.A., 1985. Factors influencing hydrocarbon degradation in three freshwater lakes. Microbial Ecology, 11(2):127–137. DOI: 10.1007/BF02010485.
• Das N., Chandran P., 2011. Microbial Degradation of Petroleum Hydro-carbon Contaminants: An Overview. Biotechnology Research International, 2011: 1–13. DOI: 10.4061/2011/941810.
• Khan A.I., 2014. Analysis of 18 Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Soil Using the QuEChERS Method. Thermo Fisher Scientific, Application Note 20677. <https://tools.thermofisher.com/content/sfs/brochures/AN20677-analysis-of-18-polycyclic-aromatic-hydrocarbons-in-soil-using-the-quechers-method.pdf> (dostęp: 15.05.2021).
• Kluk D., Steliga T., 2017. Efektywna metoda identyfikacji zanieczyszczeń ropopochodnych (TPH) i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) w glebach. Nafta-Gaz, 73(7): 488–495. DOI: 10.18668/NG.2017.07.06.
• Luo S.G., Chen S.C., Cao W.Z., Lin W.H., Sheu Y.T., Kao C.M., 2019. Application of γ-PGA as the primary carbon source to bioremediate a TCE-polluted aquifer: A pilot-scale study. Chemosphere, 237, 124449. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.124449.
• Mrozik A., Piotrowska-Seget Z., 2010. Bioaugmentation as a strategy for cleaning up of soils contaminated with aromatic compounds. Microbiological Research, 165(5): 363–375. DOI: 10.1016/j.micres.2009.08.001.
• Najar I.N., Das S., 2015. Poly-glutamic acid (PGA) – structure, synthesis, genomic organization and its application: a review. International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research, 6(6): 2258–2280. DOI: 10.13040/IJPSR.0975-8232.6(6).2258-80.
• Pang X., Lei P., Feng X., Xu Z., Xu H., Liu K., 2018. Poly-γ-glutamic acid, a bio-chelator, alleviates the toxicity of Cd and Pb in the soil and promotes the establishment of healthy Cucumis sativus L. seedling. Environmental Science and Pollution Research, 25: 19975–19988.DOI: 10.1007/s11356-018-1890-9.
• Park C., Choi J.C., Choi Y.H., Nakamura H., Shimanouchi K., Horiuchi T., Misono H., Sewaki T., Soda K., Ashiuchi M., Sung M.H., 2005. Synthesis of super-high-molecular-weight poly-γ-glutamic acid by Bacillus subtilis subsp. chungkookjang. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 35(4–6): 128–133. DOI: 10.1016/j.molcatb.2005.06.007.
• Peng Y.P., Chang Y.C., Chen K.F., Wang C.H., 2020. A field pilot-scale study on heavy metal-contaminated soil washing by using an environmentally friendly agent – poly-γ-glutamic acid (γ-PGA). Environmental Science and Pollution Research, 27: 34760–34769.DOI: 10.1007/s11356-019-07444-5.
• Radwan K., Ślosorz Z., Rakowska J., 2012. Efekty środowiskowe usuwania zanieczyszczeń ropopochodnych. Technika i Technologia, 3:107–114.
• Starzyńska-Janiszewska A., 2017. Kwas γ-poliglutaminowy – bakteryjny biopolimer z natto. Biomist.pl, Portal popularnonaukowy, <https://biomist.pl/biologia/mikroorganizmy/kwas-%CE%B3-poliglutaminowy-bakteryjny-biopolimer-natto/7657> (dostęp: 08.05.2021).
• 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: 10.1016/j.biortech.2012.08.092.
• Steliga T., Uliasz M., 2014. Spent drilling muds management and natural environment protection. Mineral Resources Management, 30(2):135–156. DOI: 10.2478/gospo-2014-0011.
• Steliga T., Wojtowicz K., 2019. Wykorzystanie testów respirometrycznych do oceny efektywności biodegradacji osadów z instalacji kopalnianych. Nafta-Gaz, 75(1): 29–37. DOI: 10.18668/NG.2019.01.05.
• Steliga T., Wojtowicz K., Kapusta P., Brzeszcz J., 2020. Assessment of Biodegradation Efficiency of Polychlorinated Biphenyls (PCBs) and Petroleum Hydrocarbons (TPH) in Soil Using Three Individual Bacterial Strains and Their Mixed Culture. Molecules, 25(3): 709. DOI: 10.3390/molecules25030709.
• Varjani S.J., 2017. Microbial degradation of petroleum hydrocarbons. Bioresource Technology, 223: 277–286. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.10.037.
• Wang L., Chen S., Yu B., 2021. Biosynthesis of tailored poly-γ-glutamic acid: Recent achievements, diverse applications and future perspectives. Trends in Food Science & Technology, 119. DOI: 10.1016/j.tifs.2021.11.009.
• Wojtowicz K., 2018. Opracowanie metodyki oznaczania BTEX w próbkach gleb z wykorzystaniem chromatografii gazowej z przystawką headspace. Nafta-Gaz, 74(3): 201–207. DOI: 10.18668/NG.2018.03.03.
• Wojtowicz K., Steliga T., Kapusta P., Brzeszcz J., Skalski T., 2022. Evaluation of the Effectiveness of the Biopreparation in Combination with the Polymer γ-PGA for the Biodegradation of Petroleum Contaminants in Soil. Materials, 15(2), 400: 1–26. DOI: 10.3390/ma15020400.
• Yang Z.H., Dong C.D., Chen C.W., Sheu Y.T., Kao C.M., 2018. Using poly-glutamic acid as soil-washing agent to remediate heavy metalcontaminated soils. Environmental Science and Pollution Research, 25: 5231–5242. DOI: 10.1007/s11356-017-9235-7.
• Zhao G., Sheng Y., Wang C., Yang J., Wang Q., Chen L., 2018. In situ microbial remediation of crude oil-soaked marine sediments using zeolite carrier with a polymer coating. Marine Pollution Bulletin, 129(1): 172–178. DOI: 10.1016/j.marpolbul.2018.02.030.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).