Bioremediation of petroleum hydrocarbons: multi-scale investigation of effects of pore size and role of diurnal temperature changes

Indigenous, cold-adapted, hydrocarbon-degrading bacteria have been frequently detected in soils from cold region sites suggesting bioremediation, as a cost-effective remediation technology is potentially viable for cleanup of contaminated sites in cold regions. Previous studies on bioremediation of petroleum hydrocarbons in cold regions have been conducted with coarse textured soils. However, fine-grained or clayey soils are commonly found in several cold regions. The overall objective of this research was to investigate the factors controlling biodegradation of aged, clayey petroleum hydrocarbon contaminated soils from a sub-arctic site, under relevant temperature regimes. The biodegradation rates and extents of petroleum hydrocarbons were investigated for a clayey site contaminated soil in four pilot scale biopiles maintained at 15˚C. Non-volatile petroleum hydrocarbons (C16-C32) were biodegraded 24 to 38% under continuous aeration and with amendments of 17.5% or 23.5% moisture and also 17.5% moisture with 95 mg-N/ kg soil. In contrast, statistically significant biodegradation of the non-volatile hydrocarbon fraction was not observed in a biopile tank containing soils amended with 23.5% moisture content and 1340 mg-N/ kg soil. While a significant shift occurred in soil microbial community over 60 days in the biopile tank amended with 23.5% moisture only, there was no change in the microbial community of soil samples amended with a similar level of moisture and 1340 mg-N/ kg soil, indicating that high amounts of nitrogen amendment inhibited bioremediation.This study investigates the effect of diurnal temperature variations on the biodegradation of petroleum hydrocarbon contaminated soil typical for the site from northern Canada from which contaminated soils were obtained. The extents of biodegradation of petroleum hydrocarbons after 70 days, in systems incubated at temperatures varying between 5 ˚C to 15 ˚C daily (representative of daily high and low temperatures) were similar to systems incubated at constant temperature of 15 ˚C, and were significantly higher than systems incubated at 5 ˚C. The soil microbial community of systems with daily changes in temperatures between 5 ˚C to 15 ˚C was similar to those incubated at 15 ˚C, but significantly different than those incubated at 5 ˚C, based on both 16S rRNA and alkB gene analyses. The results suggest that the highest temperature (15 ˚C) to which the soil was frequently exposed to, determined the microbial community profile in the site soil, and periods of low temperatures did not reduce the overall biodegradation efficiency or the microbial community compared to that maintained solely at 15 ˚C.Experiments were conducted to investigate if hexadecane, a biodegradable but effectively insoluble hydrocarbon phase, was accessible to, and degraded by hydrocarbon degrading bacteria when the hexadecane-water interface was separated from the microbial culture by membranes with specific pore sizes. In these systems, bacteria were unable to degrade hexadecane when the membrane pore size was 0.4 µm or 3 µm, but was able to degrade hexadecane when separated by pore sizes of 12 µm. To investigate the implications of these results to aggregates from clayey and sandy soils, the in-situ aggregate micro-structure of representative soil aggregates from petroleum contaminated clayey soil and petroleum contaminated sandy soil were compared by micro-scale computed tomography (micro CT) imaging. The “bioaccessible porosity” defined as fraction of aggregate volume corresponding to pores larger than 4 µm was comparable in case of clayey (26-27%) and sandy (24%) aggregates.Des bactéries indigènes, adaptées au froid, dégradant les hydrocarbures ont été fréquemment détectées dans les sites de région froide. Par conséquent, la bioremédiation, une technologie avec un bon rapport coût-efficacité, est potentiellement viable pour la réhabilitation des sites contaminés en régions froides. Des études antérieures sur la bioremédiation des hydrocarbures pétroliers en région froide ont été complétées avec des sols à grain grossier. L’objectif principal de cette recherche était d’étudier les facteurs contrôlant la biodégradation de la contamination par hydrocarbures pétroliers vieillis de sols argileux provenant d’un site subarctique sous des régimes de températures pertinents.Les taux et l’étendue de la biodégradation des hydrocarbures pétroliers ont été examinés dans quatre biopiles à l’échelle pilote contenant des sols argileux et contaminés, maintenues à une température de 15 ˚C, la température moyenne du site durant l’été. Les hydrocarbures non-volatiles (C16-C32) ont été biodégradé jusqu’à 24 à 38% sous aération continue et avec un amendement en humidité de 17,5% ou 23,5 % et 17,5% d’humidité avec 95 mg-N/ kg de sol (HPT:N = 100:5). À l’inverse, la biodégradation de la fraction d’hydrocarbure non-volatile n’a pas été statistiquement significative dans la biopile contenant des sols amendés avec une humidité de 23,5% et 1340 mg-N/ kg de sol. Les coefficients de vitesse de la biodégradation au premier ordre de la fraction d'hydrocarbure de pétrole non-volatile étaient de 0,11 + 0,04 jours-1 (r2 = 0,9) dans les systèmes de suspension de sol amendés avec 95 mg-N / kg de sol, et étaient significativement plus élevée à 0,009 + 0,003 jours-1 (r2 = 0,69) obtenues à partir des systèmes de biopiles avec la même modification en azote. Toutefois, l’étendue de la biodégradation de 46% dans les systèmes de boue incluant sol/eau a demeurée inchangée entre 30 et 60 jours, et était comparable à une étendue de 50% qui a été observée dans les systèmes de biopiles pour une période de 385 jours. Après une période de 70 jours, l’étendue de biodégradation des hydrocarbures pétroliers semi-volatiles (C10-C16) et non-volatiles (C16- C32) dans les systèmes incubés à des températures variant entre 5 ˚C et 15 ˚C quotidiennement (représentant les hautes et basses températures quotidiennes) était comparable à ceux incubé à une température constante de 15 ˚C, mais significativement meilleure que ceux incubés à 5 ˚C. De même que les communautés microbiennes des sols avec des changements de température entre 5 ˚C et 15 ˚C quotidiens étaient similaires à ceux incubés à 15 ˚C, mais différaient significativement de ceux à 5 ˚C d’après les analyses d’ARN ribosomaux 16S et le gène alkB. Les résultats suggèrent que c’est la plus haute température (15 ˚C) qui détermine le profil de la communauté de microorganismes dans les sols et que les périodes de basses températures n’ont pas réduit l’efficacité de la biodégradation en gros ou de la communauté microbienne lorsqu’ils sont comparés aux systèmes maintenus à une température constante de 15 ˚C.Des expériences ont été effectuées pour étudier si l’hexadécane, une substance biodégradable mais effectivement insoluble, était accèssible à et dégradé par des bactéries capables de dégrader les hydrocarbures dans des situations où l’interface hexadécane-eau était séparé de la culture microbienne par des membranes de pores à grandeur spécifique. Dans ces systèmes, les bactéries n’étaient pas capable de dégrader hexadécane en présence de pores de 0.4 µm et 3 µm, mais étaient capables de le dégrader lorsque le pore avait un grandeur de 12 µm. Afin d’investiguer les implications de ces résultats sur les agrégats de sol argileux et sableux, la microstructure de l’agrégat in-situ d’un agrégat de sol représentatif d’un sol argileux et d’un sol sableux contaminé en hydrocarbures a été comparée par imagerie de tomographie à micro-échelle (micro CT) par ordinateur