Aerobic and Denitrifying Biodegradation of - ETH E

Diss. ETH No. 11848
Aerobic and Denitrifying Biodegradation of
Weathered Diesel Fuel in Aquifer Material
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the degree of
DOCTOR OF NATURAL SCIENCE
presented by
Thierry
Pierre-Alain BREGNARD
dipl.
Natw. ETH
born December 26, 1964
citizen of Bonfol
accepted
on
(JU)
the recommendation of
Prof. Dr. Josef
Zeyer, examiner
Prof. Dr. Reinhard Bachofen, co-examiner
1996
IV Summary
SUMMARY
The decontamination of
priority
hydrocarbon (HC)-polluted
task in environmental
decontamination is feasible
stimulating
ground
the
by
means
the
activity
of the
water recirculation
technology
containing
biologically
technology
aquifer
NO3-)
or
and nutrients
in Menziken,
02
the electron acceptors
it contained >106
mainly isoprenoid
complex mixture (UCM)
The
in
objectives
Canton of
and
NO3-
and the nutrients
of this thesis
biodegradation rates,
hydrocarbons
under
(1)
an
The
to
(WDF).
analytically
to assess the
at 12°C and
and
(3)
pH 7.2), (2)
to assess the
degrade
The WDF
unresolved
biodegradation
to
of WDF
(anaerobic)
identify factors limiting
biodegradability
of selected
the WDF, i.e.
isoprenoid
conditions.
denitrifying microcosms,
farnesane or
(e.g.
biodegraded.
were
denitrifying
in aerobic as well as in
alkanes
weathered diesel fuel
alkanes and
aquifer
able
from
material
of unknown components.
denitrifying conditions (static
WDF
g/1
cells
PO43"
aquifer material
of the
analysis
microbial
Aargau,
by injecting ground
microcosms under field relevant, aerobic and
laboratory
via a
(N, P)
rates tend to decline with
in situ bioremediated from 1989 to 1995
hydrocarbons and 0.95-1.30 mg g-1
consisted of
sound
is based on
system. Experiences from field studies indicate that
active zone was excavated. The
revealed that
biological
economically
and NH4+to the contaminated zone. In November 1992,
a
fertility. The
chemical and
and
a
from these
indigenous, HC-degrading microorganisms by
(O2, H2O2
A diesel fuel contaminated
was
soil
is
aquifers
of the mineral oils.
ongoing weathering
water
gentle
feasible, though biodegradation
is
and
water
physical,
a
soils and
dangers arising
the soil structure. The
them with oxidants
Switzerland,
of
The in situ bioremediation is
technology that preserves
supplying
due to the
ground water, drinking
contaminants for
technologies.
protection
pristane)
biodegradation
was
and UCM
compounds,
however inhibited at
pH
was
further
6.
In aerobic microcosms, the WDF was
residual
source
biodegraded within 470 days to
hydrocarbon concentrations of 0.2 ±0.1 mg g*1 when a nitrogen
(KNO3)
was
could be attained
In
present A stimulation of the aerobic biodegradation
by elevating the temperature
denitrifying microcosms,
residual
the WDF
hydrocarbon concentrations
was
of 0.6
to 22°C or
biodegraded
±
0.2 mg
rates
by adding PO43".
at a slower rate to
g-1
within 470
days.
Summary V
NO3-
Electron balances showed that
biodegradation
was
attained
affected
as a
by agitation
or
surfactants
In
as
the electron acceptor for the
aquifer
or
(rhamnolipids
denitrifying biodegradation
material. The
by
or
substrate and TX-100
denitrifying microcosms,
(undecanate, palmitate)
pristane, toluene,
completely
pristane,
compound
a
m-.
o-,
or
was
addition of
not
or diesel fuel
p-xylene
and
specialized
compounds
naphthalene
was not
microflora
degrade pristane
under
denitrifying
trace
concentration
rhamnolipids
were
used
biodegraded
were
degraded
The
more
developed during
conditions.
long-chain
such as n-alkanes,
degraded.
to the WDF. An enrichment culture from the contaminated
able to
a
not
degraded.
also found in the WDF, is
a
was
PO43". vitamins,
added substrates such as acetate,
partially. Benzene, however,
n-alkanes shows that
biodegradation
Triton X-100) at
above their critical micelle concentration. The
preferential
acids
of the
by enhancing the temperature
elements,
slightly
served
of the WDF. A stimulation of the
aquifer
finding
rapidly
that
than
the exposure
material was
VI Zusammenfassung
ZUSAMMENFASSUNG
Die" Dekontamination
Boden
mit Kohlenwasserstoffen (KW) verschmutzten
von
Grundwasserleitern
und
ist
eine
des
vordringliche Aufgabe
Umweltschutzes, da KW Grundwasser und Trinkwasser gefahrden und die
Bodenfruchtbarkeit
am
Methoden
biologischen
ist
sanfte
eine
Die
erfolgen.
kostengOnstige
und
die die Bodenstruktur nicht zerstort. Sie beruht darauf,
Sanierungsmethode,
die
Oder
In-situ-Sanierung
biologische
konnen. Die Dekontamination kann mit
beeintrachtigen
physikalischen, chemischen
Schadensort natQrIicherweise vorkommenden, KW-abbauenden
Mikroorganismen
in ihrer Abbauaktivitat zu stimulieren. Dies wird erreicht,
indem uber einen
GrundwasserspOlkreislauf Oxidationsmittel (O2, H2O2
NO3")
und Nahrstoffe
(N, P)
werden. Feldstudien haben
stimuliert werden kann.
durch den kontaminierten
dass dadurch der KW-Abbau
gezeigt
Allerdings
Oder
Untergrund gepumpt
nehmen mit zunehmender
erfolgreich
Verwitterung
der
Mineraldle die Abbauraten mit der Ze'rt ab.
Aargau, Schweiz,
In den Jahren 1989-1995 wurde in Menziken, Kanton
eine
biologische In-situ-Sanierung
serleiters
und
1992 wurde
zeigte,
g
g1
den Nahrstoffen NIV und
aus
einer
biologisch
ausgebaggert.
dasses>
106
g"1
Die
bestand
Analyse
(engl.
hauptsachlich
Gaschromatographie
PCy3" angereichert.
aktiven Zone des
Mikroorganismen
weathered diesel fuel,
aus
aus
Aquifermaterials
und ca. 0.95-1.30
WDF)
enthielt. Das
und
einer mittels
Isoprenoidalkanen
nicht trennbaren Mixtur
O2
Im November
Aquifers kontaminiertes
des kontaminierten
KW-abbauende
verwittertes Dieseldl
WDF
wurde mit den Oxidationsmitteln
durchgefuhrt. Das Grundwasser
NCV und
Material
eines dieseldlkontaminierten Grundwas-
Kohlenwasserstoffen
{engl.
UCM).
Die
Ziele
dieser
denitrifizierenden
kosmen)
Arbeit
waren
(1) den aeroben und (anaeroben)
Abbau des WDF in
unter feidrelevanten
Labormodeildkosystemen (Mikro-
Bedingungen (statisch
untersuchen, (2) abbaulimitierende Faktoren
Abbaubarkeit
Bedingungen
zu
ausgewahlter Dieseldlkomponenten
zu
bei 12°C und
ergrunden
pH 7.2)
und
zu
(3) die
unter denitrifizierenden
prufen.
In aeroben wie auch in denitrifizierenden Mikrokosmen wurde das WDF
d.h.
sowohl
Komponenten
Isoprenoide (z.B. Farnesan oder Pristan)
weiter
abbgebaut Bei pH 6
war
der Abbau
wie auch UCM-
jedoch reduziert.
Zusammenfassung VII
In aeroben Mikrokosmen wurde das WDF in der
(KNO3)
innernalb
g-1 abgebaut.
von
470
Tagen bis
zu
Gegenwart
Restkonzentrationen
Die Abbaurate wurde durch eine
temperatur auf 22°C und durch die Zugabe
von
Erhdhung
P043"
von
0.6
±
0.2 mg
stimuliert
nachzuweisen. Elektronenbilanzen
von
N03" gekoppelt
Zugabe
(Rhamnolipide
Ober
der
Abbaurate. Die
wurde nicht
Oder Triton
kritischen
der
Oder
X-100)
wurden
Temperatur
von
noch die
oberflachenaktiven
in einer Konzentration, die
Miceilenkonzentration
Rhamnolipide
noch
sich durch Schutteln des
Erhdhung
PO43", vltaminen, Spurenelementen
von
Substanzen
etwas
zeigten,
Tagen
dass der Abbau an die Reduktion
Die Abbaurate liess
war.
erhdhen. Weder eine
Aquifermaterials
g~1
langsamer und
nach 470
waren
0.2 ±0.1 mg
der Inkubations-
In denitrifizierenden Mikrokosmen war der Abbau des WDF
Restkonzentrationen
einer N-Quelle
von
lag,
beeinflusste die
praferentiell abgebaut Triton X-100
abbgebaut
In denitrifizierenden Mikrokosmen wurden
zugegebene
Substrate wie
Azetat Fettsauren (Undekanat, Palmitat) Oder Diesefdlverbindungen wie
Alkane, Pristan, Toluol, o,
teilweise
m-.
abgebaut. Benzol
p-Xylol,
wurde nicht
und
Naphthalin vollstandig
abgebaut. Die Mikroorganismen
vermochten Pristan viel schneller und
vollstandiger
und waren damit an das WDF,
dem
adaptiert. Eine
aus
Bakterienmischkultur
Bedingungen
dem
war
abzubauen.
in
kontaminierten
in
der
n-
Oder
abzubauen als n-Alkane
die n-Alkane fehlen,
spezifisch
Aquifermaterial angereicherte
Lage, Pristan
unter
denitrifizierenden
VIII R6sumi
RESUME
L'assainissement des sols et des nappes
hydrocarbures (HC)
est
I'environnement,
les HC
car
prioritaire dans
tache
une
peuvent
seulement
non
et done les sources d'eau
souterraines,
phreatiques contamines par des
des methodes
physiques, chimiques
ou
biologiques. Le traitement biologique
economique qui preserve
la structure des sols. II consists a stimuler I'activite de
autochtones
recyclage,
specifiques.
des
HC. Des
En
ajoutant
a
(N, P), ceux-ci
experiences,
faites
a
weathering)
Cependant,
fur et
au
de
degrader les
la
a
la quote-
longue,
de I'effritement
mesure
a
(engl.
des huiles minerales.
Menziken, Canton d'Argovie, Suisse,
par du carburant diesel a subi
a
capables
systeme de
ainsi que des
echelle sur le terrain, ont demontre la
faisabilite et I'efficacite de cette methode.
part de degradation diminue
un
NO3")
ou
sont en effet
grande
micro-organismes
I'eau souterraine, via
produits d'oxydation (02, H2O2
substances nutritives
1995).
d'oxydation O2
Pour
et
ce
NCV
novembre 1992,
un
faire,
une
traitement
on
ajouta
nappe phreatique contaminee
biologique
a
ainsi que les substances nutritives NH4+ et
de la matiere
aquifere
de cette matiere revela la presence de
capables
>
diesel fuel,
essentiellement d'alcanes
WDF). Ce
isopreniques
En
106
g'1 micro-organismes
g'1 de carburant diesel
des HC, mais aussi 0.95-1.30 g
(engl. weathered
produits
PCy3".
ete extraite de cette nappe.
a
de
degrader
in situ durant six ans
I'eau souterraine les
L'analyse
effrite
les eaux
potable, mais ils peuvent aussi
in s/fuestune methode d'assainissement douce et
(1989
protection de
polluer
gravement la fertilite des sols. La decontamination peut s'effectuer par
affecter
A
la
et
dernier
etatt
d'une mixture
de
compose
HC
non-
separable par chromatographie gazeuse (engl. UCM).
Ce travail de recherche avait 3 buts essentiels:
1.
etudier
sous
conditions naturelles
(statique,
12 °C,
systemes modeles de laboratoire d'aerobies
(appeles microcosmes),
la
degradation
2.
identifier des facteurs limitant cette
3.
tester la
degradation
de
quelques
pH 7.2),
dans des
et de denitrification
du WDF;
degradation
et
constituants de choix du diesel
sous
conditions de denitrification.
II resulte de ces recherches que, dans les microcosmes aerobies, la
concentration residuaire de WDF, determinee apres 470
jours d'incubation
en
R6sum6 IX
presence d'une
quote-part de
source
d'azote
degradation
n'etait plus que de 0.2
(KNO3)
plus
etait encore
elevee
a
22 °C
±
0.1 mg
ou en
g-1.
La
presence
deP043"De leur cote,
toujours apres
d'electrons demontrerent que la
du
NO3'. Alors que
matiere contaminee,
une
PO43',
I'adjonction
de
tensioactifs
(rhamnolipides
±
Triton
de
a
la
temperature
alors que le Triton X-100
ne
Les bilans
la reduction
agitant
22°C,
a
la
ou
voire de composes
X-100) doses legerement
la concentration micellaire, n'eurent aucun effet Les
degrades rapidement,
a
ete stimulee en
d'oligo-elements,
de vitamines,
ou
de WDF.
du WDF etait liee
degradation
augmentation
g1
0.2 mg
degradation
la quote-part de
les microcosmes de
jours d'incubation,
470
denitrification contenaient encore 0.6
dessus de
en
rhamnolipides furent
fut pas
degrade.
Dans les microcosmes de denitrification, I'addition de substances -telles
que I'acetate et des acides gras (acide
undecidique,
acide
constituants du diesel -tels que les n-alcanes, le
isoprenique),
le toluene, le o, m-,
p-xylene
et le
ou
partielle de
degrade. Le pristane,
un
constituant du WDF,
et
plus amplement que
contaminee contient
degrader
une
les
n-alcanes,
microflore
de
ou
pristane (un alcane
naphtalene- aboutit
a une
additifs. Le benzene, iui, n'a pas ete
degradation complete
ces
palmitique)-
a ete
ce
qui
degrade plus rapidement
revele
que la matiere
de denitrification mieux
adapt6e
a
des alcanes branches. Ainsi, de cette matiere contaminee, des
cultures microbiennes de denitrification
pu etre enrichies.
capables de degrader du pristane
ont