The influence of cold climate seasonal temperature regimes on bioremediation of petroleum hydrocarbon-contaminated soils

• Main Author: Chang, Won Jae
• Other Authors: Lyle Whyte (Supervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2010
• Subjects: Health And Environmental Sciences - Environmental Sciences
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=92321

Temperatures in cold climates are dynamic due to diurnal, periodic or seasonal temperature variations and variability in incoming solar radiation, and these temperature changes may influence on-site soil microbial activity. To date there has been very little research focused how variations in site temperatures and various seasonal temperature regimes influence biodegradation performance. === The overall objective of this research was to investigate the rate and extent of total petroleum hydrocarbon (TPH) biodegradation in contaminated soils from a sub-Arctic site under site-relevant temperature regimes in cold climates and to assess the effect of different temperature regimes on TPH biodegradation activity. A series of pilot-scale biodegradation experiments was conducted using field-aged petroleum-contaminated soils shipped from a former military Distant Early Warning (DEW) line site in Resolution Island, Nunavut, Canada (61°30'N 65°00'W). === Pilot-scale landfarming experiments were performed in a laboratory in soil tanks under site temperature profiles representative of the 3-year site air temperatures in July and August where temperature varied uniformly between 1 °C to 10 °C over 10 days. The rates and extent of biodegradation of the non-volatile, higher molecular weight hydrocarbons (F3) was significant and comparable to the rates and extent of biodegradation observed for semi-volatile, lower molecular weight fraction (F2). The first-order biodegradation rate constants for the F2 and F3 hydrocarbon fractions were similar to each other in both low initial TPH and high initial TPH landfarms and estimated to be 0.011 to 0.024 day-1 and 0.016 to 0.019 day-11, respectively. Changes in ratios of residual concentrations of C14, C16 and C18 alkanes with progressive biodegradation was tracked, and showed that as TPH levels declined, the relative abundance of the higher-molecular weight alkanes declined. Soil aggregates with diameters ranging from 0.6 mm to 2 mm contained residual TPH that was not bioavailable and thus controlled the effective endpoint of biodegradation. === Variable temperatures representative of site temperature changes between 1 and 10 °C over two months dramatically influenced the rates and extent of biodegradation of petroleum hydrocarbons compared to the rates and extent obtained under a constant average incubation temperature of 6 °C. Under the variable site temperature condition, more rapid biodegradation of both semi- and non-volatile hydrocarbons occurred by over a factor of two due to accelerated bioactivity and growth of indigenous hydrocarbon-degrading microbial populations. Preferential biodegradation of semi-volatile hydrocarbons over non-volatile hydrocarbons was significant in the constant average temperature mode, but not under the variable temperature regime. === A study was undertaken to quantitatively assess biodegradation of petroleum hydrocarbons and microbial respiration and response during the seasonal transition periods preceding and following summer where freezing and thawing of the surface soil layers occurs at the sub-Arctic site. During the freezing phase, a statistically significant extent of biodegradation of 13% of semi-volatile hydrocarbons occurred, which was correlated with the emergence of Corynebacterineae-related hydrocarbon-degrading bacteria and growth of heterotrophic microbial populations. Petroleum hydrocarbon biodegradation, microbial respiration and changes in the size and composition of microbial community occurred under sub-zero temperatures but only when there was substantial liquid, unfrozen pore waters coexisting with pore ice. A rapid rate of temperature increase caused a burst of microbial respiration activity as previously observed in several studies, and it was found that this microbial activity also resulted in significant reductions of semi- and non-volatile hydrocarbon concentrations of up to 25% and 11%, respectively. === L'objectif global de cette recherche était d'étudier le taux et l'étendue de la biodégradation des hydrocarbures pétroliers totaux (HPT) dans les sols contaminés à partir d'un site subarctique, sous des régimes de température de sites pertinents touchés par des climats froids, et d'évaluer l'effet de différents régimes de température sur la biodégradation des HPTs. Une série d'expériences de biodégradation à échelle pilote a été réalisées en utilisant du sol âgé contaminé au pétrole expédié à partir d'un ancien site militaire de réseaux de radars, le Distant Early Warning (DEW), dans l'île Resolution, au Nunavut, Canada (61° 30' 1"N 65° 0' 1"O). === Les taux et l'étendue de la biodégradation des hydrocarbures non volatils de masse moléculaire plus élevés (F3) a été significative et comparable aux taux et à l'importance de la biodégradation observés pour les semi-volatils, de masse moléculaire moins élevés (F2). Les constantes de vitesse de biodégradation du premier ordre pour les fractions d'hydrocarbures F2 et F3 étaient semblables les unes des autres. Cela était vrai dans l'épandage contrôlé avec des nivaux de HPTs initiaux bas, ainsi qu'avec les nivaux de HTPs initiaux élevés, et cela est estimée de 0,011 à 0,024 jour-1 et de 0,016 à 0,019 jour-1, respectivement. Les modifications de ratios des concentrations résiduelles des alcanes C14, C16 et C18 avec une biodégradation progressive a été suivie à la trace, et cela a démontré qu'une réduction des niveaux de HTPs entraîne une diminution de l'abondance relative des alcanes à haut poids moléculaire. Les agrégats de sols avec des diamètres allant de 0,6 mm à 2 millimètres contenaient des HPTs résiduels qui ne sont pas donc biodisponibles, ont contrôlé le point d'aboutissement efficace de la biodégradation. === Les variables de températures représentatives des changements de température du site entre 1° et 10 °C entre une période de deux mois ont considérablement influencé la vitesse et l'étendue de la biodégradation des hydrocarbures pétroliers par rapport aux taux et l'étendue obtenus sous une température d'incubation moyenne constante de 6 °C. Sous la température variable du site, une biodégradation plus rapide d'à la fois les hydrocarbures semi-volatils et non volatils s'est produite à un facteur de deux, près en raison d'une bioactivité accélérée, et d'une croissance des populations microbiennes indigènes qui prospèrent en décomposant les hydrocarbures. === Une étude a été entreprise afin d'évaluer quantitativement la biodégradation des hydrocarbures pétroliers, ainsi que la respiration et réponse microbienne au cours des périodes de transition saisonnière précédant et suivant la saison d'été, où le gel et le dégel des couches superficielles du sol se produisent au site subarctique. Pendant la phase de congélation, une étendue statistiquement significative de la biodégradation de l'ordre de 13% des hydrocarbures semi-volatils s'est produite, ce qui a été corrélé avec l'émergence des bactéries d'hydrocarbures biodégradables Corynebacterineae connexes et la croissance des populations microbiennes hétérotrophes. La biodégradation des hydrocarbures pétroliers, la respiration microbienne et les changements dans la taille et la composition des communautés microbiennes sont apparus sous des températures au-dessous de zéro, mais seulement ou il y avait du liquide non gelées substantiel dans les pores du sol, coexistant avec de la glace interstitielle. Un taux rapide d'augmentation de température a provoqué une poussée d'activités de respiration microbienne comme précédemment observée dans plusieurs études. Il a été constaté que cette activité microbienne a également entraîné de manière significative des réductions de concentrations d'hydrocarbures semi-volatils et non volatils allant jusqu'à 25% et 11%, respectivement.