Poikkitieteellistä bioremediaatiotutkimusta Neste Oilin öljypelloilla

Transkriptio

1 Poikkitieteellistä bioremediaatiotutkimusta Neste Oilin öljypelloilla Anu Mikkonen Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos MUTKU-PÄIVÄT Hämeenlinna Maatalous-metsätieteellinen tiedekunta

2 Esityksen runko 1. Tunnetut tuntemattomat Neste Oil Oyj:n öljypellot Kilpilahdessa Poikkitieteellinen lähestymistapa 2. Tuntemattomat tuntemattomat Poikkeukselliset fysiko-kemialliset ominaisuudet 3. Uusia työkaluja Öljyn fraktiointimenetelmä 4. Kontaminanttigradientit Öljypitoisuus, ekotoksisuus ja hajotuspotentiaali 5. Hyvin karakterisoitu on puoliksi puhdistettu? Havaintojen merkitys bioremediaatiostrategian suunnittelussa Kasvikoe AM/HY

3 Öljyisen jätteen peltokäsittely Kilpilahdessa tonnia öljyä ja kiintoainesta sisältäviä jätteitä ajettu 3,5 ha peltoalalle 25 vuoden aikana Neste Oil Oyj:n Kilpilahden jalostamoalue peltoja kynnetty, kalkittu ja lannoitettu säännöllisesti Nykyinen ympäristölupa uuden jätteen levitys kielletty 2005 teollisuusalue ei käyttösuunnitelmia tai riskiä asukkaille säännöllinen valvonta ei velvoitetta kaivaa ylös ja käsitellä Mahdollisuuksia edistää öljyjätteen biologista hajoamista selvitetään. AM/HY

4 Taustatietoja Öljyn biohajoaminen pelloilla ollut odotettua hitaampaa Nykyinen pitoisuus ~10 g / kg Raskasmetallit pääasiassa alle ylempien ohjearvojen Kesanto/niittykasvillisuutta, niukasti maaeläimistöä syvemmällä maassa korkeammat pitoisuudet Runsas lannoitus urealla, typen ei pitäisi rajoittaa öljyhiilivetyjen biohajoamista (Peltola ym. 2006) Erinomainen kohde tutkia tehokkaita ja kestäviä boreaaliseen ilmastoon sopeutuneita hajottajamikrobeja hajotusgeenien määrät ja mineralisaatiopotentiaali korkeat (Salminen ym. 2008) AM/HY

5 Poikkitieteellinen tutkimusstrategia Mikrobiyhteisöjen rakenne ja dynamiikka Öljyn ja naftaleenin hajottajat Entsyymiaktiivisuusmääritykset Maan perusparametrit: ph, C, N, KVK, johtoluku, lajitekoostumus Kontaminanttikemia: TPH (C 10 -C 40 ) Totaaliuuttuvat Fraktiot: - alifaatit - aromaatit - pooliset Maahengitys ja mikrobibiomassa Kasvien kasvu Valobakteeritesti AM/HY

6 Yllätysvalmis maa AM/HY

7 Hajota ja hallitse: Fraktiointimenetelmä 1 ml N 2 -haihdutus UUTE 1 ml 1 ml + 4 ml HEP (RTW) TSEM SILIKA 2 g FLORISIL 2 g TPH F1 HEP (RTW) 10 ml F2 HEP:DCM 1:1 10 ml F3 CH 3 OH 10 ml 6 ml + 6 ml N 2 -haihdutus N 2 -haihdutus alifaatit GTPH aromaatit pooliset Kuva: Kati Hakala AM/HY

8 Vertikaalinen kontaminanttigradientti Kaksi maaprofiilia, joista molemmista kolme allekkaista näytettä á 20 cm TSEM profiilinäytteet TPH profiilinäytteet 0-20 cm 0-20 cm cm profiili 1 profiili cm profiili 1 profiili cm cm pitoisuus g kg pitoisuus g kg -1 Fraktioiden prosenttiosuudet TSEM:stä profiili I 0-20 cm Alifaatit cm Aromaatit Raskaat alif. + arom cm Laskennalliset pooliset 0 % 20 % 40 % 60 % 80 % 100 % Kuvat: Kati Hakala AM/HY

9 Horisontaalinen kontaminanttigradientti 100 % Fraktioiden prosenttiosuudet TSEM:stä gradienttinäytteet Kuuden 9 m 2 koeruudun rivi TPH: 3,1 => 6,8 g kg -1 TSEM: 25 => 41 g kg -1 EC: 0,8 => 2,2 ms cm -1 Na 2+ : 0,16 => 0,44 g kg -1 ph: 6,9 => 5,6 Fytotoksisuuden kasvu (alkup. ja tuodut lajit) 80 % % 40 % Alifaatit Aromaatit Raskaat alif. + arom. Laskennalliset pooliset 20 % % I II III IV V VI Kuva: Kati Hakala AM/HY

10 Toksisuuden, mikrobiston ja hajotuskyvyn muutos horisontaalisessa öljygradientissa Valobakteeritesti (Flash) Bakteeriyhteisörakenne (LH-PCR) Mikrobibiomassa (FE) Inhibition % II IV VI suspension ratio % Ekotoksisuuden kasvu kasveille (suola?) ja valobakteerille (hiilivedyt) Kvalitatiiviset ja kvantitatiiviset muutokset mikrobiyhteisöissä Öljynhajottajien ja hajotusgeenien lukumäärät samat tai hiukan nousevat naftaleeni-mpn: 4*10 3 => 15*10 3 solua g -1, polttoöljy-mpn: ~3*10 5 solua g -1 nahac-qpcr: ~3*10 6 geenikopiota g -1 Jyrkkä lasku yleisissä hajotuspotentiaaleissa/mikrobiaktiivisuuksissa sellobiosidaasi: 0,17 => 0,06 µmol hajotustuotetta (3 h g) -1 maahengitys: 6,6 => 1,5 mg CO 2 kg -1 h -1 AM/HY

11 Kuinka öljyjätteen biologista hajoamista in situ voitaisiin edistää? Ongelma: Jätepitoisuuden kasvu on ylittänyt peltomaan alkuperäisen hajottajamikrobiston kyvyn mineralisoida öljyjätteet toksisuus hiilivedyt, rikastuneet raskaat jakeet, suola happamuus hiilivetyjen hajotuksen välituotteista? maan huono rakenne tiivistyminen öljyn, suolan, vähäisen kasviperäisen aineksen ja maaeläintoiminnan johdosta, hapettomuus Ratkaisu: Maan ph:n nosto ja rakenteen parantaminen, alkuperäisen mikrobiyhteisön stimulointi kalkitus, orgaanisen aineksen/adsorbenttien lisäys, kyntötiheyden harventaminen, kasvillisuus Odotetut tulokset: Kaasunvaihdon parantuminen, toksisuuden lieventyminen adsorption kautta, substraatteja kometaboliaan, sienirihmaston kehittyminen, hydrologian parantuminen ja suolan huuhtoutuminen => öljyn tehokkaampi biohajoaminen AM/HY

12 Ritsoremediaatiokoe vuohenherneellä Kolmivuotinen kenttäkoe, jossa tutkitaan vuohenherneen kykyä stimuloida öljynhajottajamikrobien toimintaa in situ 27 m 2 m 2 m 1 K 1 P 2 P 2 K 3 P 3 K 4 K 4 P 1 m 5 P 5 K 6 K 6 P 7 P 7 K 8 P 8 K 2 m 9 K 9 P 10 P 10 K 11 P 11 K 12 P 12 K 15 m 2 m K Kasvillinen P Paljas AM/HY

13 Tutkijat ja tukijat TUTKIJAT JA PARTNERIT Elintarvike- ja ympäristötieteiden laitos Leena Suominen, Kristina Lindström, Helinä Hartikainen Elina Kondo, Kaisa Lappi, Anu Mikkonen, Kaisa Wallenius, Annika Wickström, Anu Vaalama, Kati Hakala, Minna Santalahti, Anni Pulkkinen Neste Oil Oyj Suomen ympäristökeskus Islannin maatalousyliopisto RAHOITTAJAT Suomen Akatemia Helsingin yliopisto Ekokem Oy Maa- ja vesitekniikan tuki ry. Maaperän tutkimus- ja kunnostusyhdistys ry. AM/HY