提高生物修复石油烃的降解性能受污染的沉积物

文摘

缩影生物修复策略被应用于沉积物污染的碳氢化合物。实验在有氧条件下在单步执行治疗和一个两步好氧治疗。在有氧条件下,无机营养物质或混合物被添加到微观,同时,在厌氧阶段的两步实验,醋酸和/或移置硫酸盐还原细菌。治疗后在厌氧条件下,样品暴露在有氧条件下堆肥的存在。观察有氧治疗,81%的碳氢化合物的生物降解后43天的无机营养。在有氧条件下的成熟堆肥,碳氢化合物的生物降解了51%后43天的治疗,而这是47%后21天新鲜堆肥。两步实验使我们获得烃降解91%,厌氧的第一步后的培养液硫酸盐还原原核生物。

1。介绍

海洋沉积物代表校长水槽为各种有机污染物,并定期的材料从港口疏浚可能含有许多污染物。许多技术已经开发,旨在减少污染存在于土壤和随后也被应用于沉积物。其中,生物治疗有更多的重要性在过去几年,主要是因为环境影响较低,成本(一般比其他清洁技术便宜),破坏有机污染物的能力,和有益的使用对沉积物的可能性1]。事实上,疏浚材料可用于有益的利用率,为修复/创建高地栖息地,海滩营养,或建筑材料2]。

原地微生物生物修复技术可能在于刺激(添加营养物质,修正案,增加氧浓度)(3- - - - - -5)和引进外来的有辱人格的原核生物(6- - - - - -8]。使用自然微生物的优点之一是,他们可以生产一些化合物,生物表面活性剂等用于烃降解过程的加速度(9,10]。这些化合物是由亲水部分和疏水部分,这个结构可以增加生物利用度不同的化合物,如碳氢化合物(11,12]。

目前的工作处理两个生物修复研究回收疏浚材料受石油烃污染。微观实验室进行单步治疗在有氧条件下和一个两步好氧治疗。在单步实验在有氧条件下,无机养分和肥料测试,修改。营养是已知的刺激微生物适应长期生活在污染的环境中,像港口13,14]。堆肥可以支持不同的微生物组合,作为营养来源,从而提高土著或污染的环境条件矩阵引入微生物(15]。此外,堆肥中有机质可以强烈影响疏水性有机污染物的吸附/解吸过程(16]。然而,大多数研究关注堆肥土壤处理的应用程序,它没有被广泛应用于沉积物生物修复(15]。两步连续厌氧的沉积物在科学文献中并不常见。事实上,传统的生物修复技术通常是执行在一个步骤中,要么在厌氧条件下(17,18),扮演最重要的角色的微生物硫酸盐还原原核生物(19),或在有氧条件下,通常使用无机营养刺激原地原核生物(20.- - - - - -22]。例如,Beolchini et al。23)进行了生物修复实验在有氧条件下,使用无机营养和砂刺激代谢的微生物群落和碳氢化合物的生物降解。烃降解硫酸盐还原耦合似乎是最相关的过程在厌氧条件下(24]。因此,在厌氧预处理、硫酸盐还原原核生物组成的一个财团曾根据阶乘计划用于这项工作为了提高除碳氢化合物:一项修正案的醋酸钠在厌氧条件下也测试作为碳源(25,26)作为电子供体刺激硫酸盐还原原核生物(27]。事实上,大多数微生物硫酸盐还原无法降解high-molecular-mass化合物和依靠发酵产品,如醋酸,他们的新陈代谢28]。

2。材料和方法

2.1。采样和沉积物特征

港的泥沙收集安科纳(意大利、亚得里亚海)通过一个范Veen抓住。沉积物特点是通过减少条件和出现黑色,与硫化氢的强烈的气味。实验室分析确定水分含量,粒径,总有机质、微生物丰富,氧化还原电位,微生物的耗氧量,总烃含量。

含水量为58%,计算湿和干重之间的区别和百分数表示。总有机物(汤姆)是53.2毫克g⁻¹(干沉积)。汤姆决心是干重之间的差异(60°C, 24 h)燃烧后残留的泥沙和重量为2 h 450°C。沉积物样本使用过量的盐酸10% (v / v)去除碳酸盐。

晶粒尺寸是由筛分技术,显示,沉积物主要是由土分数(即。< 63 > 95%的粒子μ米)。

2.2。实验室实验缩影

在有氧条件下进行实验和两步好氧条件。有氧缩影实验在250毫升玻璃瓶与泥沙10% (w / v)悬浮在0.9%氯化钠溶液100毫升的最后一卷。四个不同的实验烧瓶设置:(i)控制,包含沉积物和生理盐水;(2)无机养分,K₂HPO₄和(NH₄)₂所以₄在摩尔比率碳氮:磷= 100:10:1,根据总有机质沉积物中;(3)5% w / v成熟堆肥岁90天,从都市固体废物的有机分数;w / v (iv) 5%新鲜的堆肥,年龄在30天,从都市固体废物的有机部分。成熟堆肥堆肥成分是只有(31.3±2.2%,总有机碳总氮2.1±0.1%,和总磷1.4±0.5%),因为它是一种有价好,同时,对于新鲜的肥料,在市场上没有,作文是未知的。微观被保持在有氧条件下摇晃孵化器的速度180 rpm 35°C 43天。定期收集样本总石油烃(TPH energy)原核的丰度的分析和测定。堆肥在这些实验在两个不同的成熟阶段被选为了提供见解的反应原核增长和碳氢化合物的降解。相反,两步好氧治疗,只有成熟堆肥用于可能模仿全面应用,被这样的堆肥在市场上很容易发现。

两步好氧处理、厌氧缩影实验在室温下保持在黑暗中,在250毫升玻璃瓶含有10% (w / v)沉积物和合成海水的盐度为35%(最后一卷100毫升)。厌氧一步已被选定的操作条件根据完整的阶乘计划2 3因素和水平。的因素是(我)修正案与醋酸钠1% (w / v),(2)厌氧处理长度和(iii)培养液财团的硫酸盐还原原核生物(10% v / v)。因素和水平如表所示1,而表2显示详细的操作条件的治疗。硫酸盐还原原核生物选择从环境所提供的样品和Groudev教授的小组,采矿和地质大学的“圣人”伊凡Rilski,索菲亚(保加利亚),生长在他们的理想媒介。氧化还原电位决定进行保证厌氧的存在条件(呃值总是低于−200 mV;数据未显示),收集的样本总量的测定微生物丰度和TPH energy浓度。

沉积物30和60天在厌氧条件下预处理然后在有氧条件下孵化成熟堆肥(岁90天)。每个厌氧步骤结束时,沉积物在3000转离心5分钟和与去离子水清洗,消除盐和代谢产品的沉积物。成熟堆肥(0.5%,w / v)添加到100毫升玻璃瓶所包含预处理沉积物(5% w / v在0.9%氯化钠溶液,最后卷100毫升)。这些微观在有氧条件下孵化瓶1月在35°C。微生物丰度、氧浓度和总石油烃是定期确定。

2.3。总石油烃(tph energy)的提取和检测

TPH energy按照方法提取了3550 c EPA(美国环保署),并通过气相色谱法分析了提取。TPH energy提取Na₂所以₄和CH的解决方案₂Cl₂:CH₃COCH₃(1):1,v / v)被添加到干燥的沉淀物,然后用2分钟。样品被放在一个瓶30分钟,每分钟150转离心10分钟5000 rpm,通过一个过滤器(GS型粘土,0.22μ米)。沉积物和CH洗₂Cl₂,挥发性溶剂,提取与提取resuspended之前分析的解决方案。TPH energy浓度决定了日本岛津公司GC 2014色谱仪火焰离子化检测器(FID),在300°C)注射1μL的样本。一个Alltech ECONO-CAP EC-5 30米长X 0.32μ向直径(0.25μ电影)毛细管柱用于烃分离,用氮气作为载气的流量3.96毫升分钟⁻¹。温度程序设置如下:坚持2分钟40°C,斜坡在8°C分钟300°C⁻¹,坚持10分钟在300°C。分析一式三份。港泥沙初始TPH energy 1500 ppm的内容。

2.4。总原核的数量

总原核的数量决定用吖啶橙染色根据标准协议(29日]。沉积物次级样本是固定预滤器(0.2μ孔隙大小)和缓冲(Na₂B₄O₇·10 h₂O) 2%的甲醛。原核生物是脱离沉积物通过焦磷酸四钠(最终浓度:5毫米),然后次级样本用近三次提高提取效率(布兰森声波降解器2200;60 W 1分钟),稀释100倍。沉积物次级样本与0.025%吖啶橙染色5分钟,过滤在黑色图像比对聚碳酸酯0.2μ孔隙大小的过滤器。过滤和消毒洗两次毫问水和被安装在显微镜载玻片。过滤器的放大观察1000 x荧光显微镜数字化为每个幻灯片(蔡司Axioskop 2)。至少10个随机选择的显微镜观察和至少200细胞数/过滤器。原核的丰度是归一化总干重的泥沙后干燥(60°C, 24 h)。所有项都至少重复两次。

2.5。需氧量

的决心需氧量经过20 h (OD20)标准协议后进行了一些修改(30.]。

3所示。结果与讨论

3.1。单步在有氧条件下实验

众所周知,有氧代谢比厌氧代谢快(31日]。有氧生物修复的常用方法沉积物污染是由于历史观察微生物使用oxygen-incorporating酶启动攻击碳氢化合物(18]。在这个工作我们测试了不同的生物治疗的有效性,旨在减少污染的沉积物。图1显示烃降解在有氧条件下在单步实验,使用无机营养和堆肥两种不同年龄段(新鲜的堆肥:30天,成熟堆肥:90天)。的最高去除tph energy在微观的观察进行促生的无机营养,实现62%的碳氢化合物降解后21天(在控制治疗相比,29%)和81% 43天后(控制)的72%。这些结果表明,无机养分之外增加碳氢化合物的生物降解动力学尤其是第一个周的治疗。不过除烃长的长度的治疗成为类似于自然衰减过程(7,8,32]。这些结果与先前的结果是一致的,基于经验模型,强调快速的碳氢化合物的降解率在早期阶段的生物修复率随着时间慢(23]。在成熟堆肥TPH energy退化为21%和51%,分别后(图21和43天的治疗1)。另一方面,TPH energy降解更快的新鲜的堆肥。事实上,47%的TPH energy去除观察21天治疗后,明显高于一个实现成熟堆肥。这个事实可以解释的存在在新鲜的堆肥生物有机碳比成熟堆肥,这将促进疏水性吸附污染物,也为微生物提供碳源(33]。此外,新鲜的存在堆肥可以允许微生物增加代谢活动指向有机化合物的降解,导致细胞外酶和生物表面活性剂的生产。

无机营养物质的存在增加了碳氢化合物的生物降解主要程度上相比与成熟堆肥系统修改。然而,这样的效果是明显的微生物的增长速度只有在第一阶段的实验而ca。3周后没有观察到两者之间的主要区别治疗(图2)。这些发现表明,堆肥的潜在生物强化效果不太可能发生,因为困难的适应和竞争与外来微生物的相互作用,原地微生物条件下调查研究[32]。

沉积物中氧气要求遵循类似的原核生物的丰度,时间模式显示,主要差异系统修改和无机营养和那些只包含成熟堆肥实验的开始(OD20值分别为198.3和242.9毫克O₂L⁻¹最小值⁻¹与无机营养和成熟堆肥,职责)。随着培养时间的不同的氧气需求显著较低(101.9和85.8毫克O₂L⁻¹最小值⁻¹21天,96.0和76.2毫克O₂L⁻¹最小值⁻¹43天,与无机营养和成熟堆肥,职责)。这些结果表明,一个额外的碳源添加到沉积物中也有类似的影响呼吸和增长的原核组合与营养补充但决定降低碳氢化合物的生物降解性能。因此,在这样的条件下原核代谢过程似乎主要是面向其他有机基质的降解而非碳氢化合物。

3.2。两步好氧实验

有氧治疗可能导致不完全降解污染物的潜在的有毒产品的生产(34]。厌氧条件也允许微生物降解顽固的化合物,如多环芳烃(35]。然而在厌氧条件下碳氢化合物的生物降解的速度和程度通常是低于有氧过程(36]。而且众所周知,BTEX化合物(即。,benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes) are biodegradable under anaerobic conditions, and recently it has become apparent that also aliphatic hydrocarbon degradation takes place under anaerobic conditions [37]。根据这个场景中,一个两步厌在目前的工作已被调查,假设厌氧一步将完全降解有机污染物。表1显示了厌氧预处理因素和水平调查,而表2介绍了每个实验的操作条件。醋酸钠被用来刺激原核生物,可以使用它作为碳源(26和作为电子供体27]。指定的地方,一个财团的移置硫酸盐还原原核生物是添加到微观加强碳氢化合物的生物降解过程。

3.2.1之上。第一步:厌氧条件

图3显示除TPH energy在厌氧条件下微观世界。实现最高TPH energy去除实验结束时的硫酸盐还原原核生物(降解54%,治疗后60天)。TPH energy去除相对较高(45%)也获得了在控制测试(没有原核生物的培养液和醋酸修正案)在厌氧条件下后60天。醋酸钠的存在对碳氢化合物的生物降解似乎有负面影响在所有调查的条件,和最低的TPH energy去除被发现在微观同时含有硫酸盐还原原核生物和醋酸钠。在乙酸的存在,烃浓度随着培养时间的增加而增加。这样的增加很难解释因为没有石油碳氢化合物补充道,但这可能是因为微生物代谢产生的脂肪族碳氢化合物的存在,不能歧视使用目前的分析技术。结果在图3阐述了一个方差分析(方差分析)为了有一个更好的理解在主效应和交互作用[38]。方差分析显示以下言论(图4)。(我)负面影响的因素(乙酸钠、意义100%)证实,TPH energy生物降解减少乙酸钠的存在。这种行为可能是由于选择性使用醋酸钠而不是TPH energy的微生物碳源(25,26]。(2)负面影响的交互AB(醋酸钠,乙:时间、意义99%)意味着,改变时间的水平(即。时间长度的实验),由于醋酸钠减少负面影响。当醋酸钠开始成为限制过程中碳源实验,tph energy被作为碳源。(3)互动交流的负面影响(醋酸钠,C:培养液、意义98%)代表一个减少负面影响的醋酸钠修正案在原核剂的存在。这可能是由于食用醋酸钠在移置原核生物的存在39]。(iv)公元前互动的积极影响(时间,C:培养液、意义98%)表明硫酸盐还原财团的存在显著增加TPH energy退化只有更长一段治疗在厌氧条件下(60天)39]。

3.2.2。第二步:有氧条件

厌氧预处理后,微观是在有氧条件下孵化为1个月,与一个成熟堆肥修正案。图5显示TPH energy在有氧降解阶段的两步实验。作为比较,结果只有厌氧预处理、之前报道在图3也显示。TPH energy去除最高,等于91%,获得了在有氧的最后一步(30天)后30天在厌氧条件下的预处理,培养液的硫酸盐还原原核生物和乙酸在缺乏一个修正案(治疗5表2)。在所有有氧治疗,增加TPH energy生物降解相比实现了各自的厌氧预处理。此外,比较这些结果与实现单步治疗与堆肥在同一年龄在有氧条件下,它可以突出显示,厌氧预处理对碳氢化合物的生物降解有显著的影响。也在这种情况下一个方差分析进行更好的洞察结果。分析提出以下评论。(我)醋酸(因素)似乎没有显著的影响;因此,厌氧预处理应该没有醋酸修正案,执行与过程节约成本的优势。(2)负面影响的互动交流(醋酸,C:培养液,98%意义)表明,在外来微生物的存在财团在厌氧条件下乙酸对TPH energy删除显示一个负面影响也在两步处理,已经看到只治疗在厌氧条件下进行。这可能是由于抑制硫酸盐还原原核生物的活动对顽固的化合物由于乙酸的存在,优先作为碳源(26]。

微生物丰度决定在第二步中通常在有氧条件下均呈增长趋势在第十天的有氧治疗(图6报告中的原核生物的丰度为30天在厌氧条件下微观孵化;数据指的是微观孵化60天在厌氧条件下相似,这里没有显示),值从1·10⁹细胞g⁻¹到4·10⁹细胞g⁻¹。耗氧量的有氧月厌氧阶段后一步是高包含醋酸钠的缩影,都与O (OD20等于94.8和71.0毫克₂L⁻¹最小值⁻¹醋酸有或没有,职责)没有(93.1和84.1毫克O₂L⁻¹最小值⁻¹和没有醋酸,resp)硫酸盐还原原核生物。

4所示。结论

目前处理生物修复研究工作旨在回收石油碳氢化合物污染的沉积物。在有氧条件下,单步处理无机营养导致更有效的烃降解堆肥,在研究条件下,堆肥的年龄也导致TPH energy生物降解的一个重要操作参数。事实上在新鲜的堆肥(年龄在30天)TPH energy生物降解高于成熟堆肥(岁90天)。两步连续厌氧治疗是最有效的烃降解(大约90%),显著增加TPH energy生物修复的有效性,与单步疗法相比,无论是在有氧和厌氧条件下。目前的研究提供了一个有关环保技术的应用研究石油hydrocarbon-contaminated沉积物的处理和回收。

确认

本研究进行的一个研究项目的框架支持史Superiore / la Ricerca e Protezione Ambientale(这里)。曼博士Taccari承认与氧气支持需求分析和色谱分析,c Casucci烃萃取,博士和费德里科•Valentini (Gesenu波斯公司)提供肥料。

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