نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکده زیست فناوری، سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران، تهران، ایران

2 مرکز تحقیقات پروتئین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف:
آلودگی­ های نفتی می ­توانند سبب آسیب­ های جدی و بلندمدت بر محیط‌زیست و سلامت جامعه ­های انسانی شوند. ترکیب ­های هیدروکربنی می ­توانند در طبیعت به­ مدت طولانی باقی مانده و تبدیل به آلاینده­ های محیط زیستی شوند. پاک‌سازی آلودگی­ های هیدروکربنی همچنان موضوعی چالشی برای پژوهشگران رشته ­های مختلف می ­باشد. زیست‌پالایی ، نوعی بیوتکنولوژی است که می‌تواند برای رفع این آلودگی‌ها مورد استفاده قرار گیرد. بااین‌وجود بیشتر یافته‌‌های موجود در مورد ارزیابی عامل­ های مؤثر بر زیست‌ پالایی هیدروکربن‌های نفتی از مطالعات آزمایشگاهی به ­دست آمده است و پژوهش­ ها در این زمینه در مقیاس پایلوت یا مطالعات میدانی بسیار محدود است. مطالعات نشان می‌دهد که عامل­های اصلاح بیولوژیکی که در شرایط آزمایشگاهی مؤثرند ممکن است بطور قابل‌ملاحظه‌ای در مقیاس وسیع دارای اثربخشی کمتری باشند بنابراین پژوهش­ ها و کاربردهای میدانی، آزمون‌های قانع‌کننده نهایی برای میزان کارآیی این محصول­ ها می‌باشند. هدف از انجام این پژوهش ارزیابی عملکرد یک کنسرسیوم باکتریایی تجزیه‌کننده آلاینده‌های هیدروکربنی در شرایط طبیعی و در مقیاس پایلوت میدانی بود.
مواد و روش ­ها:
برای اجرای این پژوهش، کنسرسیوم باکتریایی تجزیه‌کننده آلودگی نفتی شامل 5 سویه باکتری Alcanivorax dieselolei، Thalassospira xianheensis، Rhodococcus ruber، Gracilibacillus dipsosauristrain و Microbacterium sp. در فرمانتور نیمه­ صنعتی در حجم 500 لیتر تکثیر گردید. سپس سلول ­های میکروبی بعد از ته ­نشینی در فرمانتور به روش spray-drying خشک و با نشاندن بر روی پودر دیاتومه بعنوان بستر تثبیت، تبدیل به پودر شدند. با مخلوط­سازی پودر خالص میکروبی با افزایه‌های مغذی مناسب، فرمولاسیون نهایی پودر میکروبی تجزیه‌کننده آلودگی نفتی تولید شد. آزمون میدانی ارزیابی عملکرد این پودر میکروبی بر روی خاک ­های آلوده به نفت خام در جزیره خارک صورت گرفت. برای این منظور خاک‌های آلوده به نفت سنگین در دو بلوک مجزا شامل یک بلوک شاهد و یک بلوک تیمار به روش زیست‌افزاییمورد آزمون تجزیه زیستی مواد نفتی قرار گرفت و غلظت هیدروکربن­ های نفتی کل و تغییرات دمای خاک در دوره آزمون سنجش شد.
نتایج و بحث:
میانگین میزان TPH در روز اول در نمونه‌های شاهد و مورد آزمایش 341 میلی‌گرم در هر گرم خاک بود. در نمونه شاهد کاهش هیدروکربن­ های نفتی بعد از دوره 14 روزه آزمایش به میزان14.2% بود که می ­تواند به دلیل فعالیت جمعیت باکتری‌های بومی خاک و یا به سبب فرآیند‌های فیزیکوشیمیایی مانند تبخیر و فتواکسیداسیون باشد. در مقابل در خاک تیمار شده با فرمولاسیون پودری کنسرسیوم میکروبی تجزیه‌کننده آلودگی نفتی غلظت هیدروکربن­ های نفتی در پایان دوره آزمون با 70.6% کاهش به 99 (mg/g) رسید. این نتایج نشان‌دهنده عملکرد بسیار سریع این کنسرسیوم میکروبی در تجزیه هیدروکربن­ های نفتی می ­باشد. همچنین به دلیل افزایش فعالیت باکتری‌ها و تجزیه هیدروکربن‌های نفتی دمای خاک در بلوک تیمار شده با پودر میکروبی با افزایشی معادل 11 درجه سانتی‌گراد همراه شد. افزایش دمای خاک بویژه در منطقه ­های سردسیر یا در فصل­ های سرد سال در نتیجه فعالیت باکتری­ ها خود می­ تواند سبب بالا رفتن متابولیسم جمعیت­ های میکروبی خاک و افزایش راندمان زیست­ پالایی شود. این موضوع بویژه در مورد آلودگی ­های نفتی در منطقه ­های قطبی اهمیت دوچندانی دارد.
نتیجه ­گیری:
نتایج این تحقیق نشان داد که استفاده از کنسرسیوم میکروبی برای زیست ­پالایی خاک ­های آلوده به غلظت­ های بسیار زیاد هیدروکربن­ های نفتی مانند آنچه در زمان نشت نفت خام از خطوط انتقال نفت ایجاد می ­شود، می­تواند نتیجه ­بخش باشد. همچنین کاربرد محصو ل­های پودری بدلیل سهولت انجام عملیات و عدم نیاز به تجهیز­ های پیچیده و گران­قیمت یک راهکار مؤثر بحساب می­ آید. افزون بر این افزودن کنسرسیوم میکروبی بدلیل جمعیت اولیه مناسب باکتری ­های تجزیه‌کننده نفت می ­تواند سبب افزایش دمای خاک شده و فعالیت جمعیت­ های بومی خاک را نیز افزایش دهد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Pilot-scale evaluation of bioremediation efficiency by powder formulation of a consortium of hydrocarbon-degrading bacteria

نویسندگان [English]

  • Ali Abolhasani Soorki 1
  • Mahnaz Mazaheri Assadi 1
  • Seyed Omid Ranaei Siadat 2

1 Department of Biotechnology, Iranian Research Organization for Science and Technology, Tehran, Iran

2 Protein Research Center, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Introduction:
Oil pollution can cause serious and long-term damage to the environment and the health of human communities. Hydrocarbon compounds can remain in nature for a long period and become environmental pollutants. The elimination of hydrocarbon contamination is still a challenge for researchers of different disciplines. Bioremediation is a branch of biotechnology that can be used to eliminate these contaminants. However, most findings on the evaluation of factors affecting oil bioremediation are obtained from laboratory studies, and research in this area is very limited in pilot or field scale studies. Studies show that bioremediation agents that are effective in vitro may be significantly less effective on a large scale because laboratory studies cannot always simulate the real world's conditions due to spatial heterogeneity, biological interactions, weather effects, and restrictions on access to mineral nutrients. In this study, the performance and effectiveness of a consortium of hydrocarbon-degrading bacteria were evaluated under natural conditions in a pilot scale.
Material and methods:
To conduct this research, a bacterial consortium of five strains of bacteria including Alcanivorax dieselolei, Thalassospira xianheensis, Rhodococcus ruber, Gracilibacillus dipsosauristrain and a Microbacterium sp. were proliferated in a 500-liters semi-industrial fermenter. Then, the microbial cells were dried by the spray-drying method after sedimentation in the fermenter and formulated on the diatomaceous powder as a stabilizing bed. By blending this microbial powder with appropriate nutrient supplements, the final formulation of the oil-degrading microbial powder was produced. A field test was conducted to evaluate the performance of this microbial powder on crude oil contaminated soils in Kharg Island. For this purpose, soils contaminated by heavy crude oil resulting from oil pipeline leakage were examined for 14 days in two separate blocks, including a control block and a bioaugmentation block treated by the petroleum-degrading microbial powder. Reduction of total petroleum hydrocarbons concentration and soil temperature changes were measured during the test period.
Results and discussion:
The mean of TPH in the first day was 341 mg per gram soil. In the control block, the reduction of petroleum hydrocarbons after 14 days of the experiment was 14.2%, which could be due to the activity of the population of native soil bacteria or due to physico-chemical processes such as evaporation and photo-oxidation. In contrast, in the soil treated with the petroleum-degrading microbial powder, the concentration of hydrocarbons at the end of the test period was reduced by 70.6% to 99 mg per gram soil. These results indicate the very rapid performance of this microbial consortium in the decomposition of hydrocarbons. Also, due to the increased activity of bacteria and degradation of hydrocarbons, soil temperature was increased about 11 degrees Celsius in the block treated with microbial powder. Increasing the temperature of the soil as a result of the activity of bacteria, especially in cold regions or in the cold seasons, can lead to the further increase of soil microbial population’s metabolism and increase the biodegradation efficiency. This is especially important in the case of oil pollution in Polar regions.
Conclusion:
The results of this study showed that the use of a microbial consortium for the biological treatment of contaminated soils with very high concentrations of petroleum hydrocarbons, such as crude oil spill from oil pipelines, could be beneficial. Also, the use of powdered products is an effective solution due to the ease of operation and independency from complex and expensive equipment. In addition, due to the high level of early population of bacteria that can degrade the oil, the addition of a microbial consortium can increase the temperature of the soil and increase the activity of native soil populations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioremediation
  • Pilot test
  • Microbial consortium
  • Powder formulation

Adams G.O., Fufeyin P.T., Okoro S.E. and Ehinomen I., 2015. Bioremediation, biostimulation and bioaugmention: A review. International Journal of Environmental Bioremediation and Biodegradation. 3, 28-39.

Labinger J.A. and Bercaw J.E., 2002. Understanding and exploiting C–H bond activation. Nature. 417, 507.

Mohn W., Radziminski C., Fortin M.C. and Reimer K., 2001. On site bioremediation of hydrocarbon-contaminated Arctic tundra soils in inoculated biopiles. Applied Microbiology and Biotechnology. 57, 242-247.

Murygina V., Gaydamaka S., Gladchenko M. and Zubaydullin A., 2016. Method of aerobic-anaerobic bioremediation of a raised bog in Western Siberia affected by old oil pollution. A pilot test. International Biodeterioration and Biodegradation. 114, 150-156.

Nichols W.J., 2001. The U.S. Environmental Protect Agency: National Oil and Hazardous Substances Pollution Contingency Plan, Subpart J Product Schedule (40 CFR 300.900), American Petroleum Institute, Washington, DC, USA .

Sanusi S.N.A., Halmi M.I.E., Abdullah S.R.S., Hassan H.A., Hamzah F.M. and Idris M., 2016. Comparative process optimization of pilot-scale total petroleum hydrocarbon (TPH) degradation by Paspalum scrobiculatum L. Hack using response surface methodology (RSM) and artificial neural networks (ANNs). Ecological Engineering. 97, 524-534.

Swannell R.P.J., Lee K. and Mcdonagh M., 1996. Field evaluations of marine oil spill bioremediation. Microbiological Reviews. 60, 342–365.

U.S.EPA, 2010. GUIDE TO USING THE NCP PRODUCT SCHEDULE NOTEBOOK. ((OEM) O.o.E.M., ed.) p.^pp. 215. U.S. Environmental Protection Agency, Washington, DC.

Winkler, I. and Agapova, N., 2010. Determination of water pollution by the oil products through UV photometry. Environmental Monitoring and Assessment. 168, 115-119.