Digestate valorization for bioremediation of petroleum hydrocarbons contaminated soils
Gielnik, Anna (2019)
Gielnik, Anna
Tampere University, Université Paris-Est
2019
Doctoral Programme in Advanced Biological Waste-to-Energy Technologies
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2019-12-11
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202001151264
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202001151264
Tiivistelmä
Maaöljyllä saastuneet maaperät muodostavat ympäristöongelman, joka voidaan ratkaista biologisen kunnostamisen avulla. Maaperän bioaugmentatio öljyä hajottavien bakteerien kanssa on tehokas puhdistusstrategia. Nykyisin tieteellinen kiinnostus kohdistuu sellaisiin bakteerilähteisiin, jotka kykenevät hajottamaan hiilivetyjä, jotka toimivat lajien yhdistelminä rikastukseen siirrostuksen valmistuksen aikana. Bioaugmentointikäsittelyt ovat erityisen tärkeitä maaperässä, jossa orgaanisen aineen pitoisuus on alhainen ja bakteerien määrä alhainen (esim. Intensiivisen kemiallisen käsittelyn jälkeen). Digestaatti on orgaanisen sivutuotteena biokaasun tuotannossa anaerobisten pilkkomisprosessien kautta, ja sillä on suuri mahdollisuus maaperän lannoitteena tiivistettyjen ravintoaineiden takia. Digestaatin mikrobiyhteisön potentiaalia ei kuitenkaan koskaan tutkittu hiilivetyjen hajoamisen suhteen.
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin digestaattia mikrobisena kylvönä kosteiden öljyhiilivetyjen saastuneiden maaperien bioremediaatiossa. Tavoitteemme olivat: i) tarkistaa dieselöljyä hajottavien bakteerien esiintyminen mädätysrikasteissa ja vertailla dieselöljyn hajoamispotentiaalia öljysaastuneiden maaperäisten rikastusteiden kanssa, ii) tarkistaa digestaatin levityksen vaikutus maaperän mikrobiyhteisöön ja mikrobitoimintaan, iii) tutkia läsnäoloa funktionaalisten geenien, jotka vastaavat hiilivetyjen hajoamisesta (alkB-geenit) mädätteessä ja muunnellussa maaperässä.
Ensimmäisen kokeen aikana kehitettiin seitsemän mikrobirikastetta erilaisista ruuansulatuksista, maaöljyllä saastuneesta maaperästä ja maaperän sekoituksesta digestaatin kanssa. Kolmen viikon inkubaation jälkeen korkein dieselöljypoisto havaittiin rikastuksista, jotka olivat peräisin kompostoidusta digestaatista ja öljysaastuneesta maaperästä (vastaavasti 78% ja 77% dieselöljystä). Rikasteilla, jotka on saatu maaperästä sekoitetusta mäntäaineesta, on huonompi suorituskyky kuin yhden lähteen rikastuksilla. Kaikissa rikastuksissa alkB-geenien läsnäoloa edistettiin inkubaation aikana.
Toisessa kokeessa suoritettiin 6 erilaista käsittelyä mikrokosmossa käyttämällä kahta teollisuusöljysaastuttamaa maaperää, jolla oli erilaiset rakenteet: savirikas maa ja hiekkamaa. 30 päivän inkubaation jälkeen havaittiin suurin öljyhiilivetyjen poistuminen mikrokosmoissa, jotka sisälsivät: digestaattia yhdessä täyteaineen kanssa (vastaavasti 17,8% ja 12,7% korkeampi kuin kontrolli savenrikkaassa ja hiekkaisessa maaperässä) tai; mädätys yhdessä immobilisoitujen bakteerien kanssa (vastaavasti 13,4% ja 9% korkeampi kuin kontrolli savelirikkaassa ja hiekkaisessa maaperässä). Erilliset mikrobiryhmät muodostuivat muutetussa ja muuntamattomassa maaperässä. Sukuja, jotka sisälsivät lajeja, jotka kykenevät hajottamaan hiilivetyjä, kuten Acinetobacter ja Mycobacterium, oli runsaasti ruuansulatuksessa ja maaperässä, joka muutettiin digestaatilla. AlkB-geenien korkea konsentraatio havaittiin mädätysastiassa, maaperän levityksen jälkeen alkB-geenien taso nousi merkittävästi maaperässä ja pysyi korkeana yhden kuukauden käsittelyn aikana.
Kolmannessa kokeessa saastunutta maata inkuboitiin digestaatin ja täyteaineen kanssa bioreaktorissa aktiivisella ilmastolla. Alkuperäinen alkB-konsentraatio oli 1,5% saastuneessa maaperässä ja 4,5% digestaatissa. Maaperän inkubaation aikana mädätteen kanssa alkB-prosenttimäärä nousi 11,5%:iin ja lisäinokulaation jälkeen immobilisoiduilla bakteereilla tämä arvo nousi jopa 60%:iin (alkB-prosenttiosuus mineraaliravinteiden käsittelyssä oli 0,4%). Digestaatin lisääminen vaikutti positiivisesti maaperän hengitykseen ja bakteerien tiheyteen, mikä oli samanaikainen hiilivetyjen lisääntyneen hajoamisen kanssa. Maaperän inkubaatio digestaatilla 2 kuukautta johti 74% hiilivetyjen poistoon, kun taas immobilisoitujen bakteerien lisäys lisäsi tämän arvon 95%:iin. Digestaatti lisäsi maaperän bakteeritiheyttä ja hiilivetyjen monimuotoisuutta hajottavien taksonien suhteen.
Tämän opinnäytetyön aikana saadut tulokset vahvistavat, että digestaatti on hyvä hiilivetyä hajottavien bakteerien lähde ja paljastaa sen suuren potentiaalin lisätä alkB-geenien määrää, jotka vastaavat hiilivetyjen hajoamisesta maaperässä bioremedikaation aikana.
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin digestaattia mikrobisena kylvönä kosteiden öljyhiilivetyjen saastuneiden maaperien bioremediaatiossa. Tavoitteemme olivat: i) tarkistaa dieselöljyä hajottavien bakteerien esiintyminen mädätysrikasteissa ja vertailla dieselöljyn hajoamispotentiaalia öljysaastuneiden maaperäisten rikastusteiden kanssa, ii) tarkistaa digestaatin levityksen vaikutus maaperän mikrobiyhteisöön ja mikrobitoimintaan, iii) tutkia läsnäoloa funktionaalisten geenien, jotka vastaavat hiilivetyjen hajoamisesta (alkB-geenit) mädätteessä ja muunnellussa maaperässä.
Ensimmäisen kokeen aikana kehitettiin seitsemän mikrobirikastetta erilaisista ruuansulatuksista, maaöljyllä saastuneesta maaperästä ja maaperän sekoituksesta digestaatin kanssa. Kolmen viikon inkubaation jälkeen korkein dieselöljypoisto havaittiin rikastuksista, jotka olivat peräisin kompostoidusta digestaatista ja öljysaastuneesta maaperästä (vastaavasti 78% ja 77% dieselöljystä). Rikasteilla, jotka on saatu maaperästä sekoitetusta mäntäaineesta, on huonompi suorituskyky kuin yhden lähteen rikastuksilla. Kaikissa rikastuksissa alkB-geenien läsnäoloa edistettiin inkubaation aikana.
Toisessa kokeessa suoritettiin 6 erilaista käsittelyä mikrokosmossa käyttämällä kahta teollisuusöljysaastuttamaa maaperää, jolla oli erilaiset rakenteet: savirikas maa ja hiekkamaa. 30 päivän inkubaation jälkeen havaittiin suurin öljyhiilivetyjen poistuminen mikrokosmoissa, jotka sisälsivät: digestaattia yhdessä täyteaineen kanssa (vastaavasti 17,8% ja 12,7% korkeampi kuin kontrolli savenrikkaassa ja hiekkaisessa maaperässä) tai; mädätys yhdessä immobilisoitujen bakteerien kanssa (vastaavasti 13,4% ja 9% korkeampi kuin kontrolli savelirikkaassa ja hiekkaisessa maaperässä). Erilliset mikrobiryhmät muodostuivat muutetussa ja muuntamattomassa maaperässä. Sukuja, jotka sisälsivät lajeja, jotka kykenevät hajottamaan hiilivetyjä, kuten Acinetobacter ja Mycobacterium, oli runsaasti ruuansulatuksessa ja maaperässä, joka muutettiin digestaatilla. AlkB-geenien korkea konsentraatio havaittiin mädätysastiassa, maaperän levityksen jälkeen alkB-geenien taso nousi merkittävästi maaperässä ja pysyi korkeana yhden kuukauden käsittelyn aikana.
Kolmannessa kokeessa saastunutta maata inkuboitiin digestaatin ja täyteaineen kanssa bioreaktorissa aktiivisella ilmastolla. Alkuperäinen alkB-konsentraatio oli 1,5% saastuneessa maaperässä ja 4,5% digestaatissa. Maaperän inkubaation aikana mädätteen kanssa alkB-prosenttimäärä nousi 11,5%:iin ja lisäinokulaation jälkeen immobilisoiduilla bakteereilla tämä arvo nousi jopa 60%:iin (alkB-prosenttiosuus mineraaliravinteiden käsittelyssä oli 0,4%). Digestaatin lisääminen vaikutti positiivisesti maaperän hengitykseen ja bakteerien tiheyteen, mikä oli samanaikainen hiilivetyjen lisääntyneen hajoamisen kanssa. Maaperän inkubaatio digestaatilla 2 kuukautta johti 74% hiilivetyjen poistoon, kun taas immobilisoitujen bakteerien lisäys lisäsi tämän arvon 95%:iin. Digestaatti lisäsi maaperän bakteeritiheyttä ja hiilivetyjen monimuotoisuutta hajottavien taksonien suhteen.
Tämän opinnäytetyön aikana saadut tulokset vahvistavat, että digestaatti on hyvä hiilivetyä hajottavien bakteerien lähde ja paljastaa sen suuren potentiaalin lisätä alkB-geenien määrää, jotka vastaavat hiilivetyjen hajoamisesta maaperässä bioremedikaation aikana.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4885]