فصلنامه علوم محیطی

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

اطلاعات آماری نشریه

اخبار و اعلانات

مدل‌سازی کنتیک زیست‌پالایی آب زیرزمینی آلوده به ترکیباتBTEX

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده علوم زمین، گروه زمین‌شناسی، تهران، ایران

2 دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده علوم زمین، گروه زمین‌شناسی، تهران، ایران دانشگاه شهید بهشتی، پژوهشکده علوم پایه کاربردی جهاد دانشگاهی، گروه زمین‌شناسی محیطی، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: ترکیبات هیدروکربنی  در اثر تصادفات در موقع حمل‌ونقل، ذخیره‌سازی و یا فرآیندهای پالایشگاهی به‌ویژه در کشورهای تولیدکننده نفت منابع آب زیرزمینی را (هم در منطقه غیراشباع  و هم در منطقه اشباع) آلوده می‌کنند. با توجه به پیچیدگی‌های حاکم بر محیط آب زیرزمینی، تاکنون پژوهش چندانی در ارتباط با پاک‌سازی  این آلودگی‌ها در ایران انجام نشده است. ترکیبات بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلن (BTEX) به دلیل حلالیت نسبتا بالا در آب و خاصیت سرطان‌زایی که دارند، از دیگر ترکیبات نفتی خطرناک‌تر هستند. این تحقیق با هدف مدل‌سازی کنتیک زیست‌پالایی نمونه‌های آب زیرزمینی آلوده به BTEX انجام شده است.مواد و روش‌ها: نمونه‌های آلوده آب‌ زیرزمینی از محدوده پالایشگاه تهران تهیه شده و به روش غنی‌سازی، باکتری‌های تجزیه‌کننده ترکیبات BTEX غربال‌گری و جداسازی شدند. پس از شناسایی مولکولی باکتری‌های جداشده، سویه Pseudomonas  sp. BTEX-30 که بهترین عملکرد را در بین سایر سویه‌های باکتریایی داشت برای بررسی‌های کنتیک انتخاب شد. آزمایشات کنتیک در بطری‌های شیشه‌ای 500 میلی‌لیتری با درپوش پیچی تفلونی برای جلوگیری از نشت بخارات ترکیبات BTEX به محیط در شیکر انکوباتور با دور موتور100 دور در دقیقه، در دمای 34 درجه سانتی‌گراد و با pH برابر 6/7 انجام شده است. کنتیک زیست‌پالایی برای دو حالت تک‌سوبسترا (غلظت هر کدام از سوبستراها 250 میلی‌گرم بر لیتر) و مخلوط ترکیبات BTEX (مجموع غلظت سوبستراها 500 میلی‌گرم بر لیتر به نسبت مساوی) بررسی شده است. همچنین برای به دست آوردن رطوبت بهینه زیست‌پالای در منطقه غیراشباع  آب زیرزمینی، رطوبت‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفت.نتایج و بحث: بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، معادله مونود بهترین برازش را هم برای کنتیک تک‌سوبسترا و هم برای مخلوط سوبستراها نشان می‌دهد. حداکثر نرخ مخصوص زیست‌پالایی () برای ترکیبات بنزین، تولوئن و اتیل بنزن به ترتیب 45/0، 43/0 و 35/0 در ساعت به دست آمد. باکتری قادر به تجزیه زایلن در حالت تک‌سوبسترا نبود. حداکثر نرخ مخصوص زیست‌پالایی برای مخلوط سوبستراها ، 44/0، 45/0، 38/0 و 33/0 در ساعت به ترتیب برای بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و زایلن به دست آمد. نکته قابل‌توجه تجزیه زایلن در حضور بنزن و تولوئن است که با افزایش جمعیت باکتریایی در اثر تجزیه بنزن و تولوئن، آنزیم‌های مورد نیاز برای تجزیه زایلن در دسترس قرار گرفته و باعث تجزیه زایلن نیز می‌شود.نتیجه‌گیری: باکتری Pseudomonas sp. BTEX-30 هم در محیط آبی و هم در رطوبت‌های بالای 20 درصد خاک غیراشباع قادر به زیست‌پالایی ترکیبات BTEX است، با وجود این بهترین عملکرد را در رطوبت60 درصد نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Modelling the biodegradation kinetics of BTEX contaminated groundwater

نویسندگان [English]

  • Hamid Reza Nasseri 1
  • Kamal Khodaei 2

1 Faculty of Earth Sciences, ShahidBeheshti University, Tehran, Iran

2 Faculty of Earth Sciences, ShahidBeheshti University, Tehran, Iran Research Institute of Applied Sciences (ACECR), ShahidBeheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction: Petroleum hydrocarbons releases into the groundwater resources (both in saturated and unsaturated porous media) as a consequence of accidental spills during the transport, refining and storing stages especially in oil producing countries. There is no study related to cleaning of oil polluted groundwater in Iran due to the complexity of conditions governing groundwater aquifers. Benzene, toluene, ethylbenzene and xylene isomers (known as BTEX) are the most dangerous among other hydrocarbons due to their high solubility and carcinogenic potential.  This research is aimed at the bioremediation kinetics modelling of BTEX contaminated groundwater.Materials and methods: Bacteria isolation was performed by enrichment of polluted groundwater samples taken from the site of Tehran Oil Refinery. The Pseudomonas sp. BTEX-30 strain was selected among isolated bacteria for biodegradation kinetic modelling due to its high performance in BTEX biodegradation. Kinetic experiments were carried out in 500 ml glass vials with Teflon screw caps to prevent any BTEX vapour leakage. Upstream unpolluted groundwater was selected as the base solution and pH values of samples were adjusted to 7.6. Samples were incubated in a vertical rotary shaker with 100 rpm, 35 centigrade degrees for 72 hours. Kinetic experiments were performed for the single substrate with a concentration of 250 mgL-1 and the mixed substrate with a concentration of 500 mgL-1 BTEX (1:1:1:1). Different moisture contents were used to find the optimum moisture content for the biodegradation in the unsaturated zone.Results and discussion: Results show the Monod equation had the best fit for the experimental kinetic data. Maximum specific biodegradation rates in single substrate experiments were 0.45 h-1, 0.43 h-1 and 0.35 h-1 for benzene, toluene, and ethylbenzene, respectively. Pseudomonas sp. BTEX-30 strain was not able to degrade m-xylene in single substrate experiments and the maximum specific biodegradation rates in the mixed substrate experiments were 0.44 h-1, 0.45 h-1, 0.38 h-1 and 0.33 h-1 for benzene, toluene, ethylbenzene, and m-xylene, respectively.m-Xylene was degraded in mixed substrate experiments in the presence of benzene and toluene due to Increased cell growth and introduction of the enzymes incorporating in m-xylene degradation.Conclusion:Pseudomonas sp. BTEX-30 strain was able to degrade BTEX compounds in liquid and unsaturated soil with 20% soil moisture; however, the optimum soil moisture content for biodegradation was obtained at 60 %.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biodegradaion kinetics
  • Groundwater
  • Monod equation
  • Unsaturated zone
مراجع
  1. منابع
  2. ATSDR, 2007. Agency for Toxic Substances and Disease Registry, Toxicological profile for xylene, Atlanta, GA. 438.
  3. Baboshin, M.A., Finkel’shtein, Z.I. and Golovleva, L.A., 2003. Fluorene cometabolism by Rhodococcusrhodochrous and Pseudomonasfluorescens. Mikrobiologiia. 72, 194-198.
  4. Chowdhury, S. and Saha, P.D., 2012. Batch and continuous (fixed-bed column) biosorption of Cu(II) by Tamarindus indica fruit shell. Korean Journal of Chemical Engineering. 30, 369-378.
  5. da Silva, M.L.B., Gomez, D.E. and Alvarez, P.J.J., 2013.Analytical model for BTEX natural attenuation in the presence of fuel ethanol and its anaerobic metabolite acetate. Journal of Contaminant Hydrology. 146, 1-7.
  6. Di Martino, C., Lopez, N.I. andRaiger Iustman, L.J., 2012. Isolation and characterization ofbenzene, toluene and xylene degrading Pseudomonassp. selected as candidates for bioremediation. International Biodeterioration & Biodegradation. 67, 15-20.
  7. El-Naas, M.H., Acio, J.A. and El Telib, A.E., 2014. Aerobic biodegradation of BTEX: Progresses and Prospects. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2, 1104-1122.
  8. Farhadian, M., Vachelard, C., Duchez, D. and Larroche, C., 2008. In situ bioremediation of monoaromatic pollutants in groundwater: A review. Bioresource Technology. 99, 5296-5308.
  9. Fernandez,E.L., Merlo, E.M., Mayor, L.R. and Camacho, J.V., 2016. Kinetic modelling of a diesel-polluted clayey soil bioremediation process. Science of The Total Environment. 557–558, 276-284.
  10. Firmino, P.I.M., Farias, R.S., Barros, A.N. and Buarque, P.M.C., Rodriguez, E., Lopes, A.C., dos Santos, A.B., 2015a. Understanding the anaerobic BTEX removal in continuous-flow bioreactors for ex situ bioremediation purposes. Chemical Engineering Journal. 281, 272-280.
  11. Firmino, P.I.M., Farias, R.S., Buarque, P.M.C., Costa, M.C., Rodriguez, E., Lopes, A.C. and dos Santos, A.B., 2015b. Engineering and microbiological aspects of BTEX removal in bioreactors under sulfate-reducing conditions. Chemical Engineering Journal. 260, 503-512.
  12. Holden, P.A. and Fierer, N., 2005. Microbial processes in the vadose zone. Vadose Zone Journal. 4, 1-21.
  13. Jin, H.M., Choi, E.J. and Jeon, C.O., 2013. Isolation of a BTEX-degrading bacterium, Janibacter sp. SB2, from a sea-tidal flat and optimization of biodegradation conditions. Bioresource Technology. 145, 57-64.
  14. Kermanshahi pour, A., Karamanev, D. and Margaritis, A., 2006. Kinetic modeling of the biodegradation of the aqueous p-xylene in the immobilized soil bioreactor. Biochemical Engineering Journal. 27, 204-211.
  15. Khodaei, K., Nassery, H.R., Asadi, M.M., Mohammadzadeh,H. and Mahmoodlu, M.G., 2017. BTEX biodegradation in contaminated groundwater using a novel strain (Pseudomonas sp. BTEX-30). International Biodeterioration & Biodegradation. 116, 234-242.
  16. Lin, C.W., Cheng, Y.W. and Tsai, S.L., 2007. Multi-substrate biodegradation kinetics of MTBE and BTEX mixtures by Pseudomonasaeruginosa. Process Biochemistry. 42, 1211-1217.
  17. Lin, C.W., Wu, C.H., Tang, C.T. and Chang, S.H., 2012. Novel oxygen-releasing immobilized cell beads for bioremediation of BTEX-contaminated water. Bioresource Technology. 124, 45-51.
  18. Littlejohns, J.V., Daugulis and A.J., 2008. Kinetics and interactions of BTEX compounds during degradation by a bacterial consortium. Process Biochemistry. 43, 1068-1076.
  19. Morlett-Chavez, J.A., Ascacio-Martinez, J.Á., Rivas-Estilla, A.M., Velazquez-Vadillo, J.F., Haskins, W.E., Barrera-Saldaña, H.A. and Acuña-Askar, K., 2010. Kinetics of BTEX biodegradation by a microbial consortium acclimatized to unleaded gasoline and bacterial strains isolated from it. International Biodeterioration & Biodegradation. 64, 581-587.
  20. Nagarajan, K., Loh and K.C., 2015. Formulation of microbial cocktails for BTEX biodegradation. Biodegradation. 26, 51-63.
  21. Or, D., Smets, B.F., Wraith, J.M., Dechesne, A. and Friedman, S.P., 2007. Physical constraints affecting bacterial habitats and activity in unsaturated porous media – a review. Advances in Water Resources. 30, 1505-1527.
  22. Potts, M., 1994. Desiccation tolerance of Prokaryotes. Microbiological Reviews. 58, 755-805.
  23. Powelson, D.K. and Mills, A.L., 1996. Bacterial enrichment at the gas-water interface of a laboratory apparatus. Applied and Environmental Microbiology. 62, 2593-2597.
  24. Qin, X.S., Huang, G.H. and He, L., 2009. Simulation and optimization technologies for petroleum waste management and remediation process control. Journal of Environmental Management. 90, 54-76.
  25. Skopp, J., Jawson, M.D. and Doran, J.W., 1990. Steady-state aerobic microbial activity as a function of soil water content. Soil Science Society of America Journal. 54, 1619-1625.
  26. Stark, J.M. and Firestone, M.K., 1995. Mechanisms for soil moisture effects on activity of nitrifying bacteria. Applied and Environmental Microbiology. 61, 218-221.
  27. Stasik, S., Wick, L.Y. and Wendt-Potthoff, K., 2015. Anaerobic BTEX degradation in oil sands tailings ponds: Impact of labile organic carbon and sulfate-reducing bacteria. Chemosphere. 138, 133-139.
  28. Xin, B.P., Wu, C.H., Wu, C.H. and Lin, C.W., 2013. Bioaugmented remediation of high concentration BTEX-contaminated groundwater by permeable reactive barrier with immobilized bead. Journal of Hazardous Materials. 244-245, 765-772.
  29. Zhang, L., Zhang, C., Cheng, Z., Yao, Y. and Chen, J., 2013. Biodegradation of benzene, toluene, ethylbenzene, and o-xylene by the bacterium Mycobacteriumcosmeticum byf-4. Chemosphere. 90, 1340-1347.
  30. Zhong Y., Zou S., Lin L., Luan T., Qiu R. and Tam N.F., 2010. Effects of pyrene and fluoranthene on the degradation characteristics of phenanthrene in the cometabolism process by Sphingomonas sp. strain PheB4 isolated from mangrove sediments. Marine Pollution Bulletin. 60, 2043-2049
  31. Zhou, Y.Y., Chen, D.Z., Zhu, R.Y. and Chen, J.M., 2011. Substrate interactions during the biodegradation of BTEX and THF mixtures by Pseudomonasoleovorans DT4. Bioresource Technology. 102, 6644-6649.
فصلنامه علوم محیطی
دوره 14، شماره 4
دی 1395
صفحه 149-164
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار