Bioavailability aspects of hydrophobic contaminant degradation in soils

This thesis concentrates on bioavailability of organic soil contaminants in the context of bioremediation of soil contaminated with volatile or non-volatile hydrophobic pollutants. Bioavailability and biodegradation was studied from four viewpoints: (i) Improvement of bioavailability and biodegradation of volatile hydrocarbons in contained bioremediation systems at laboratory - and pilot-scale. (ii) Improvement of bioavailability of non-volatile, hydrophobic compounds in such systems. (iii) Biodegradation of a non-volatile hydrophobic compound in soil organic matter in microcosms. (iiii) Bioavailability of nitrogen in an open, full-scale bioremediation system. It was demonstrated that volatility of organic compounds can be controlled by amending the soil with adsorbents. The sorbed hydrocarbons were shown to be available to soil microbiota. As the result, biodegradation of the volatile hydrocarbons was greatly favored at the expense of volatilization. PAH compounds were shown to be mobilized and their bioavailability improved by a hydrophobic, non-toxic additive, vegetable oil. Bioavailability of the PAHs was recorded as an increased toxicity of the soil. In spite of the increased bioavailability, biodegradation of the PAHs decreased. In microcosms simulating boreal forest organic surface soil, PAH-compound (pyrene) was shown to be removed from soil biologically. Therefore hydrophobicity of the substrate does not necessarily mean low availability and biodegradation in organic soil. Finally, in this thesis it was demonstrated that an unsuitable source of nitrogen or its overdose resulted in wasteful spending of this nutrient and even harmful effects on soil microbes. Such events may inhibit rather than promote the bioremediation process in soil.

Väitöskirjan tavoitteena oli tutkia öljyperäisillä orgaanisilla yhdisteillä pilaantuneen maa-aineksen biologisen puhdistamisen edellytyksiä laboratorio-, pilot- ja täydessä mittakaavassa. Erityistä huomiota kiinnitettiin tekijöihin, jotka vaikuttavat pilaantumista aiheuttavien haitta-aineiden sekä biohajotusprosessissa tarvittavan typen biosaatavuuteen. Tutkittavat haitta-aineet olivat haihtuvia orgaanisia öljyjakeita (VOC), monirenkaisia aromaattisia hiilivetyjä (PAH) ja raskaita mineraaliöljyjakeita. VOC-yhdisteiden biosaatavuutta parannettiin lisäämällä pilaantuneeseen maahan pieni määrä aktiivihiiltä. Tällä toimenpiteellä ehkäistiin VOC-yhdisteiden haihdunta maasta biologisen käsittelyn aikana. Aktiivihiileen kiinnittyneet VOC-yhdisteet olivat enimmäkseen hajottajamikrobeille biosaatavassa muodossa, koska niiden pitoisuudet laskivat maa-aineksessa ilman että VOC-yhdisteitä karkasi ilmakehään. Jäämäpitoisuudet maassa olivat kuitenkin liian korkeat käsitellyn maan rajoittamatonta loppusijoitusta varten. Osa aktiivihiileen sitoutuneista VOC-yhdisteistä sitoutui siten maa-ainekseen palautumattomasti, mahdollisesti mikrobiologisiksi aineenvaihduntatuotteiksi muuntuneina. Rypsiöljyemulsion lisääminen pilaantuneeseen maahan paransi PAH-yhdisteiden biosaatavuutta. Kasvisöljy mobilisoi maahan sitoutuneita PAH-yhdisteitä, mikä näkyi PAH-yhdisteiden lisääntyneenä uutettavuutena. Mobilisoitumisesta huolimatta PAH-yhdisteiden biohajotus ei tehostunut eli ne eivät olleet hajottajamikrobeille biosaatavassa muodossa. Sen sijaan biosaatavuus kasveille lisääntyi, mikä näkyi maa-aineksen lisääntyneenä toksisuutena kasvien juurille. Tämä osoittaa, että biosaatavuus kasveille on eri asia kuin biosaatavuus mikrobeille. PAH-yhdisteiden biohajomista tutkittiin malliekosysteemissä, eli mikrokosmoksessa joka mallinsi pohjoista metsäekosysteemiä pienessä mittakaavassa. Pilaantumattomassa metsämaahumuksesta löytyi selkeä PAH-yhdistettä (pyreeni) biohajottava potentiaali, vaikka aiempi tutkimus oletti orgaanisen aineen runsauden huonontavan rasvaliukoisten orgaanisten yhdisteiden biosaatavuutta mikrobeille ja siten myös biohajoavuutta. Kun malliekosysteemiin lisättiin kasvavan männyn taimi ja sen juurisieni (mykoritsa), niin pyreenin mineralisoituminen eli hajoaminen hiilidioksidiksi asti väheni. Tämä johtui mahdollisesti pyreenin kemiallisesta sitoutumisesta humukseen juurisienen hapettavien entsyymien katalysoimana. Maa-aineksen biologisen käsittelyn kannalta välttämättömän typpiravinteen biosaatavuutta tutkittiin täyden mittakaavan biologisella käsittelyalueella, johon oli tuotu öljyisiä lietteitä yli 20 vuoden ajan. Kun lannoitteena oli urea, se hajosi nopeasti ammoniakiksi osoittaen ureolyyttisten mikrobien olleen aktiivisia. Myös nitrifikaatio, eli ammoniakin mikrobiologinen hapetus nitraatiksi toimi öljynpitoisessa maassa tehokkaasti, mutta nitrifikaatio oli hitaampaa kuin urean hydrolyysi mikä johti ammoniumtypen kertymiseen kun lannoitus oli runsas. Tästä seurasi pH:n nousu ja ammoniakin haihdunta, eli typpilannoitetta hukkaantui ilmakehään. Tutkimus osoitti, että hitaasti vapautuvia typen muotoja, kuten metyleeniureaa, onkin syytä käyttää kun typen kokonaistarve on suuri koska ammoniakin kertymistä ei tällöin tapahtunut.