Treatment of organic aromatic contaminants in soil with fungi and biochar

Soils that are contaminated with organic aromatic compounds such as polyaromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/Fs) and 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) have previously been treated by combustion at elevated temperatures. Although, combustion is effective, it is expensive due to high energy and equipment requirements. However, innovative technologies such as the use of fungi and/or biochar can offer an alternative option that is friendly to the environment in treating such soils. This thesis evaluates three treatment options to treat these contaminants in soil: 1) the use of fungi growing on pine bark, 2) the use of fungal enzymes, and 3) treatment with both fungi and wood derived biochar. Fungal treatment of TNT-contaminated soil was applied in both laboratory and in pilot scale experiments. In the laboratory experiments, fungi were tested for their capability to grow in soil contaminated with the explosive 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and to accelerate its degradation. TNT concentration in the soil was 1000 mg kg-1. White-rot fungi, Gymnopilus luteofolius, Kuehneromyces mutabilis, and Phanerochaete velutina grew in the contaminated soil and produced a significant amount of manganese peroxidase (MnP) in TNT contaminated soil during that incubation, but no laccase. The most efficient fungus, P. velutina, degraded 80% of TNT in 2.5 months. The soil treatment process was scaled-up in a 0.56 m3 reactor with 0.3 t of TNT-contaminated soil and P. velutina grown on pine bark. TNT concentration in the soil was 1000 mg kg-1 and the soil:fungal inoculum ratio was 30:1. P. velutina degraded 70% of TNT in 49 days, and no further degradation occurred during the next 58 days of incubation. TNT metabolites, namely 4-amino-2,6-diaminotoluene and 2-amino-4,6-diaminotoluene, accounted for less than 0.5% of the original TNT concentration at the end of the incubation. For PCDD/F-contaminated soil, the approach was to treat the soil with either fungal inoculum or crude MnP. Treatment with fungal inoculum proved to be an effective treatment option as PCDD/Fs were degraded 62% and 64% of the WHO-TEQ (World Health Organisation Total Equivalent) value by Stropharia rugosoannulata and P. velutina, respectively, compared to a control where no degradation was observed. However, when PCDD/F-contaminated soil was treated with crude MnP, no degradation was observed even though significant levels of MnP activity were detected in the soil. Treatment of PAH-contaminated soils (humus-poor soil named sloam and humus-rich forest soil) were studied. Pyrene-contaminated soil was amended with wood-derived biochar, and the ability of fungi to grow in the amended soil was tested. Agrocybe praecox and P. velutina survived well in the amended soil and were selected for further studies. In addition, the role of fungi in pyrene sorption to amended soil was investigated. Fungal treatment of pyrene-contaminated soil amended with biochar increased the sorption of pyrene up to 47 56% to biochar amended forest soils compared to the controls (13 25%) incubated without fungi. Strong fungal/biochar synergistic effects were observed in cases of the sorption of pyrene in the amended soils. In non-sterile contaminated forest soil amended with biochar and incubated with one fungus, higher levels of pyrene (50%) was sorbed to the soil compared with a mere 13% in a similar soil without the fungus. In humus-poor sloam amended with biochar and incubated with fungus, only 9 12% pyrene was sorbed to amended soil. Similar results were obtained for both fungi used in the study. They had significant impact on forest soil with a higher organic matter content compared with sloam. Fungal treatment provides a viable treatment option and an alternative to traditional treatment options such as combustion of soils that are contaminated with organic aromatic contaminants. Fungi have shown strong potential to degrade these contaminants in soil. The addition of biochar and fungi to PAH- contaminated soil may help to reduce the risk of leaching of contaminants to ground water and above all to promote remediation of contaminated soils.Tiivistelmä Polttokäsittely on perinteisesti polyaromaattisten hiilivetyjen (PAH), polykloorattujen dibentso-p-dioksiinien ja dibentsofuraanien (PCDD/Fs) hävittämiseksi käytetty menetelmä. Vaikkakin kyseinen keino on tehokas, sen energia- ja laitevaatimukset tekevät siitä kalliin. Uudet innovatiiviset tekniikat, kuten sienten ja biohiilen käyttö voivatkin osoittautua varteenotettaviksi ja ympäristöystävällisiksi vaihtoehdoiksi maan puhdistuksessa. Tässä väitöskirjassa arvioidaan seuraavien kolmen erilaisen vaihtoehdon soveltuvuutta maan puhdistukseen: 1) männyn kaarnalla kasvavien sienten käyttö, 2) sienistä eristettyjen entsyymien käyttö ja 3) sienten sekä puuperäisen biohiilen käyttö. Tässä väitöskirjatutkimuksessa toteutettiin TNT:lla pilaantuneen maan sienikäsittelyjä sekä laboratoriossa että pilot-mittakaavan kokeissa. Laboratoriokokeissa seurattiin, miten sienet kykenevät kasvamaan 2,4,6-trinitrotolueenilla (TNT) pilaantuneessa maassa ja kykenevätkö ne edesauttamaan TNT:n hajoamista maassa, jossa räjähteen pitoisuus on 1000 mg kg-1. Valkolahosienet Gymnopilus luteofolius, Kuehneromyces mutabilis ja Phanerochaete velutina kasvoivat hyvin pilaantuneessa maassa ja tuottivat merkittävän määrän mangaaniperoksidaasia (MnP). Tehokkain sieni, P. velutina hajotti jopa 80% TNT:sta kahden ja puolen kuukauden aikana. Suuremman mittakaavan koe toteutettiin 0,56 m3 bioreaktorissa, joka sisälsi 0,3 tonnia TNT:lla pilaantunutta maata. Kyseisessä kokeessa TNT:n hajotus toteutettiin lisäämällä reaktoriin männyn kaarnalla kasvava P. velutina. Maan ja sienisiirroksen suhde oli 30:1. P.velutina kykeni hajottamaan jopa 70% TNT:sta 49 päivässä, mutta kokeen jatkuessa vielä 58 päivää TNT ei enää hajonnut enempää. Kokeen lopussa TNT:n haitallisia hajotustuotteita, 4-amino-2,6-diaminotolueenia ja 2-amino-4,6-diaminotolueenia oli maassa vain alle 0,5% alkuperäisestä TNT-määrästä. PCDD/F-yhdisteillä pilaantunutta maata puhdistettiin sienikäsittelyllä tai sienen tuottamalla MnP-entsyymillä. Sekä Stropharia rugosoannulata että P. velutina hajottivat tehokkaasti PCDD/F:ja maassa. WHO-TEQ (World Health Organisation Total Equivalent) asteikolla S. rugosoannulata hajotti 62% ja P. velutina 64% PCDD/F-yhdisteistä kun taas kontrollimaassa ilman sientä hajotusta ei tapahtunut. Huolimatta siitä, että sienet tuottivat suuria määriä MnP:ia maassa hajottaessaan PCDD/F:ja, ei entsyymi yksinään kyennyt hajottamaan dioksiineja. Maan puhdistusta PAH-yhdisteistä tutkittiin kahdessa erilaisessa maalajissa, jotka poikkesivat humuspitoisuutensa suhteen. Pyreenillä pilaantuneseen maahan lisättiin puusta valmistettua biohiiltä, ja sienten kykyä kasvaa maassa seurattiin. Agrocybe praecox ja P. velutina kasvoivat hyvin biohiiltä sisältävässä maassa, ja ne valikoituivat jatkokokeisiin. Kokeessa tutkittiin myös sienten vaikutusta pyreenin adsoboitumiseen biohiileen. Sienen lisäys biohiililtä ja pyreeniä sisältävään maahan auttoi pyreenin adsorptiota, jolloin yhteensä 47 56 % pyreenistä imeytyi biohiileen. Ilman sienikäsittelyä vastaava luku oli 13 25%. Synergistinen vaikutus biohiilen ja sienen välillä oli merkittävä. Epästerilissä humuspitoisessa metsämaassa sienen ja biohiilen yhteisvaikutuksesta 50% pyreenistä saatiin puhdistettua verrattuna 13% ilman sienikäsittelyä. Maassa, jossa humuspitoisuus oli alhainen, vastaavassa käsittelyssä vain 9-12% pyreenistä imeytyi biohiileen. Molemmilla sienilajeilla saatiin samansuuntainen tulos: sienikäsitelyllä oli merkittävä vaikutus pyreenin adsorptioon etenkin paljon orgaanista ainesta sisältävässä metsämaassa. Orgaanisilla yhdisteillä pilaantuneen maan käsittely sienillä on varteenotettava vaihtoehto polttokäsittelyn sijasta. Sienet ovat osoittautuneeet näiden yhdisteiden tehokkaiksi hajottajiksi. Biohiilen ja sienten lisääminen yhdessä PAH-pilaantuneeseen maahan voi pienentää haitallisten yhdisteiden huuhtoutumista pohjavesiin ja ennen kaikkea mahdollistaa pilaantuneen maan puhdistamisen