Bioaugmentering til oprensning af pesticidpunktkilder

Transkript

1 Bioaugmentering til oprensning af pesticidpunktkilder MCPP Anders Johansen, Aarhus Universitet, Institut for Miljøvidenskab. Miljøingeniør Katrine Smith, Miljøstyrelsen. Hydrogeolog Hasse Milter, Region Sjælland. dichlorprop Senior Scientist Ulrich Bay Gosewinkel og ph.d.-stud. Tue K. Nielsen, Aarhus Universitet. Civilingeniør Katerina Tsitonaki, civilingeniør Sandra Roost, projektleder Kresten Andersen, geolog Lars C. Larsen og civilingeniør Nina Tuxen, Orbicon A/S. Sphingomonas

2 oversigt Hvorfor anvende mikroorganismer til oprensning af pesticid punktkildeforureninger? Laboratorie-undersøgelse af potentialet for oprensning af MCPP punktkilder i jord. In situ bioaugmentering af dichlorprop i kombination med ilttilførsel. Opsamling.

3 Ellegaard-Jensen et al., 2014 Hvorfor anvende mikroorganismer til oprensning af pesticid punktkilde-forureninger? Kan være et godt/billigere alternativ til dyre afværge-foranstaltninger. Kan hjælpe med at opfylde betingelserne for, at et givent pesticid bio-nedbrydes i jorden. Mikroorganismer der producerer de enzymer, der er nødvendige for nedbrydning af pesticidet. Elementært ilt tilstede, til at støtte den mikrobielle nedbrydning er nogle gange nødvendig. Næringsstoffer (N, P, Fe, osv.) må ikke være begrænsende for mikroorganismerne. De nødvendige enzymer, der er forudsætningen for en total mineralisering, kan ofte være fordelt i flere forskellige organismer (synergetisk nedbrydning).

4 Laboratorieundersøgelse af potentialet for biologisk oprensning af MCPP punktkildeforurening Formål: studere MCPP-nedbrydning i jordprøver fra dybereliggende jordlag, på en tidligere industrigrund forurenet med phenoxysyre-herbicider (MCPP, MCPA). Spørgsmål: Kan tilførsel af nitrat fungere som alternativ elektron-acceptor for mikroorganismerne og øge deres nedbrydning af MCPP, når ilt er begrænset? Kan tilførsel af en kulstofkilde booste mikroorganismernes aktivitet og dermed øge nedbrydning af MCPP? Jordkerne blev udtaget i 2-11 m dybde.

5 Jordprøver blev udtaget ned igennem borekernen og opbevaret lufttæt og på køl indtil forsøg. Jord (opslemninger) fra 3, 4.5 og 6 m dybde blev udsat for følgende behandlinger: kontrol: vand org. kulstof: glukose elektron acc.: nitrat kombination: glukose + nitrat Der blev også tilført nedbryder-bakterier

6 Målinger: Potentiel MCPP mineralisering i jord, fra de tre dybder, blev målt vha. 14 C-mærket MCPP, hvor udvikling af 14 C-CO 2 indikerer MCPPmineraliseringen. N 2 O som indikation af denitrifikation (nitrat-reduc. betingelser)

7 Glukose formindskede altid mineraliseringen af MCPP Mineralisering af MCPP i tre subjorde ved nitrat-reducerende betingelser WATER GLUCOSE Nitrat forøgede mikroorganismerne nedbrydning af MCPP i 4,5 m jordprøver ift. kontroller Kombinationen af glukose og nitrat forøgede ikke mineraliseringen af MCPP Mineralization of 14 C-MCPP (%) m 4.5-m 6-m NITRATE 3-m 4.5-m 6-m GLUCOSE+NITRATE Denitrifikation foregik i alle jordlag Time (d)

8 Mineralisering af MCPP, efter tilførsel af to nedbryder bakterier (ved reducerende betingelser, nitrat tilført) (tre gentagelser vist) 10 Substantielle denitrifikations-rater Høj variation i kapacitet til at mineralisere MCPP? Måske pga. lave tætheder af bakterier i (<10 4 CFU/g) Dette er et problem, hvis nedbrydningen af pesticidet foretages af flere forskellige arter af bakterier/svampe, der forekommer i lavt antal chancen for at de mødes er for lav! Mineralization of 14 C-MCPP (%) 50 A D B C?? Control E Pseudomonas Erg Sphingomonas F MH N 2 O production (ppm) Time (d)

9 Undersøgelse af potentialet for biologisk oprensning af MCPP punktkildeforurening i laboratorieforsøg Konklusioner Tilførsel af næringsstoffer (fx N) kan i visse tilfælde øge MCCPnedbrydningsraten. Tilførsel af en let-omsættelig organisk kulstofkilde kan formindske nedbrydningsraten drastisk. Tilførsel af en specifik nedbryder-bakterie kan øge nedbrydningsraten betydeligt.

10 In situ bioaugmentering af dichlorprop punktkildeforurening på Skeltofte på Lolland Potentiale for at øge nedbrydningen af phenoxysyrer i dybereliggende jordlag ved tilførsel af ilt + en specifik nedbryderbakterie (Sphingomonas herbicidovorans MH). Foreløbige resultater AU, ORBICON, Region Sjælland, MST

11 Region Sjællands aktiviteter Region Sjælland har udført afværgeforanstaltninger i form af afværgepumpning til afskæring af fanen Der er udført flere forureningsundersøgelser ved Skelstofte til kortlægning af forureningen og opsporing af hotspot. Der er fundet indhold af dichlorprop på op til 140 µg/l i det øverste sandlag

12 Konceptuel model

13 Iltning Iltning og bioaugmentering (Sphingomonas MH) Målinger: O 2 koncentration i grundvandet, antal dyrkbare bakterier (CFU), bakteriel diversitet (NG 16S DNA sequensing), mineraliserings potentiale, expression af nedbryder gener

14 Ilt-tilførsel vha. diffuser Diffuseren installeres i bunden af sandlaget i injektionsboringerne uden gruskastning. Diffuseren tillader en langsom og jævn tilførsel af meget små iltbobler. Dermed sikres en høj opløsning i vandet og en mindre fortrægning af porevandet

15 Udtagning af vandprøver på lokaliteten

16 Resultater fra Iltmålinger for felt 2 Hurtig iltgennembrud i de øverste filtre Ilt-koncentrationerne er generelt noget lavere (~1/3) i felt 1

17 Sphingomonas (CFU/ml) Kolonne-eksperiment til estimering af, hvor mange Sphingomonas MH celler der overlever, og bevæger sig i jorden (fra 9 m dybde). Ca Sphingomonas herbicidovorans MH celler blev tilført til toppen af kolonnen til T cm 4 cm Svarer til ~30% af tilførte MH Time (h) Sphingomonas MH overlever i mere end >100 h og transporteres (mindst) over små afstande

18 Antal dyrkbare bakterier i udvalgte vandprøver udtaget på lokalitet (boring M4 og M5, to dybder). Der er dyrket bakterier på to medier (TSA, R2A) ,1 TSA R2A 0,1 TSA R2A 0,1 TSA R2A M4-1 5,9E+04 1,0E+05 8,0E+04 2,3E+05 1,1E+04 1,0E+04 M4-2 2,9E+04 6,1E+04 1,5E+04 9,0E+03 2,0E+03 5,0E+03 M5-1 2,1E+04 6,7E+04 2,9E+04 1,0E+04 9,0E+03 6,0E+03 M5-2 3,8E+04 5,4E+04 na na 1,0E+03 na Antal bakterier er altså generelt meget lavt, hvilket kan være et problem mht. forekomst af nedbryder-gener.

19 Resultater fra 16S sekventering af bakterielle samfund i vandprøver. En god indikation af antal bakteriearter (15-20) i jorden Meget lav diversitet 20 taksonomiske enheder M m dybde, M4-2 9 m dybde 0,5 m fra injektion M m dybde, M5-2 9 m dybde 1.0 m fra injektion

20 Tilførsel af nedbryderbakterie Sphingomonas MH tilført til 10 8 celler per ml jordvæske (svarende til ca. 300 liter i alt). Kvalitetscheck viser at kulturen mineraliserer 5-10 % af en dichlorprop opløsning (1 mg/l) i løbet af et døgn. MH spundet ned og vasket i PBS buffer (5 C) og tilført samme dag.

21 Potentiel mineralisering af dichlorprop i vandprøver Ingen mineralisering i prøver fra samtlige moniteringsbrønde i efteråret 2014 før tilførsel af Sphingomonas MH. Mineraliseringen kan dog gå i gang efter mange uger, så prøverne vil blive målt fortløbende. Måling af potentiel mineralisering af dichlorprop i vandprøver fra Skeltofte

22 Udpladning af bakterier fra vandprøver ca. 3 uger efter tilførsel af Sphingomonas MH. Bemærk de gule kolonier, der sandsynligvis er den tilførte stamme. Kolonier med denne farve vokser ikke frem i Felt-1. Antallet af gule kolonier indikerer, at der var Sphingomonas MH per ml i den brønd, hvor de blev tilført. I nærmeste brønde måltes Potentiel mineraliserings assay viste tilsvarende at ca. 1% af det tilførte dichlorprop blev mineraliseret på 4 dage (prøver fra tilførsels-brønd).

23 Konklusioner Når in situ nedbrydnings-kapacitet mangler, er det sandsynligvis nødvendigt, at tilføre den i form af mikroorganismer med de nødvendige gener for at initiere processen. Lav mikrobiel tæthed i subjorde befordrer ikke synergetisk nedbrydning af persistente kontaminanter. Foreløbige resultater (overlevelse, transport, mineralisering) fra Skeltofte feltforsøg indikerer, at bioaugmentering i kombinaion med ilt-tilførsel kan være en mulig oprensningsteknik. Tak!

24 Tak til Projektledelse forsøgsdesign og feltarbejde Sandra Roost, Katerina Tsitonaki Kresten LB Andersen, Nina Tuxen, Thomas Larsen, Kresten Andersen Bygherre og finansiering Hasse Milter, Roman Koscianscki Finansiering Katrine Smith Analyser og feltarbejde Anders Johansen, Tue K Nielsen, Ulrik Gosewinkel 16. marts