University of Groningen. Biosurfactant-enhanced soil remediation Noordman, Wouter Herman

Transcriptie

1 University of Groningen Biosurfactant-enhanced soil remediation Noordman, Wouter Herman IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 1999 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Noordman, W. H. (1999). Biosurfactant-enhanced soil remediation: effect of rhamnolipid on the bioavailability and microbial uptake of hydrophobic compounds Groningen: s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting Bodemvervuiling veroorzaakt op een groot aantal locaties zodanige risico's voor mens en milieu dat sanering noodzakelijk is. Het huidige overheidsbeleid richt zich op het sneller terugbrengen van deze risico's tegen lagere kosten. Daarom is er een behoefte aan goedkope saneringsmethoden, zoals biologische bodemsanering. Deze techniek maakt gebruik van de capaciteit van planten of micro-organismen, voornamelijk bacteriën en schimmels, om contaminanten af te breken tot minder schadelijke verbindingen of, idealiter, tot CO 2 en water. Echter, biologische bodemsanering kent nog een aantal bottlenecks. Zo is biodegradatie van hydrofobe en nauwelijks water-oplosbare contaminanten zoals minerale olie, PAKs en PCBs in veel gevallen gelimiteerd door de lage biobeschikbaarheid. Doordat hydrofobe stoffen sterk aan bodem hechten of doordat hun oplosbaarheid in water laag is, zijn ze niet beschikbaar voor afbraak door micro-organismen. Bacteriëel geproduceerde surfactanten (biosurfactanten) zouden deze biobeschikbaarheid kunnen verhogen. De doelstelling van het in dit proefschrift beschreven onderzoek was het bepalen van de mogelijkheden om biosurfactanten en biosurfactant-producerende organismen te gebruiken bij biologische bodemreiniging. Hiertoe zijn een aantal relevante deelprocessen onderzocht. Een aantal biosurfactanten en biosurfactant-producerende organismen is in de studie betrokken. Voornamelijk is gewerkt met rhamnolipide, een anionisch glycolipide dat wordt geproduceerd door de bacterie Pseudomonas aeruginosa. Dit biosurfactant bestaat uit een zestal homologe componenten. In Hoofdstuk 1 worden de processen beschreven die de biobeschikbaarheid van bodemcontaminanten bepalen. Vervolgens wordt informatie gegeven over de structuur, functie, biosynthese, eigenschappen en toepassingen van biosurfactanten. Een overzicht wordt gegeven van eerder onderzoek naar het effect van biosurfactanten en synthetische surfactanten op de afbraak van bodemverontreinigende stoffen. Hoofdstuk 1 besluit met een schets van de inhoud van dit proefschrift. In Hoofdstuk 2 worden resultaten gepresenteerd die aangeven dat rhamnolipide de verwijdering van geadsorbeerd fenanthreen vanaf bodem versnelt. Het effect van rhamnolipide op de desorptie van fenanthreen kon goed beschreven worden met een twee componenten transport model dat voor dit doel ontwikkeld was. De versnelde verwijdering wordt in belangrijke mate bepaald door solubilisatie van de contaminanten door het biosurfactant. Maar ook wordt verwijdering versneld doordat rhamnolipide de desorptiesnelheid van substraat verhoogt. Dit is van groot belang voor het verbeteren van de biobeschikbaarheid. Het werk beschreven in Hoofdstuk 3 beoogde een meer gedetailleerd inzicht te geven in de interacties tussen (geadsorbeerd) surfactant, contaminant en bodem. Daartoe zijn drie soorten matrices gebruikt als model voor verschillende bodemfracties. Deze matrices waren silica, octadecyl-gecoat silica, en humuszuur-gecoat silica. Transport van polycyclische aromatische koolwaterstoffen door kolommen die gepakt waren met deze matrices werd versneld door rhamnolipide indien het biosurfactant werd gebruikt bij concentraties boven de kritische micelconcentratie. Bij lagere concentraties werd transport door kolommen die gepakt waren met silica en humuszuur-gecoat silica vertraagd door admicellaire sorptie. Transport door octadecyl-gecoat silica werd versneld doordat rhamnolipide de affiniteit van de contaminanten voor de surfactant gemodificeerde matrix verlaagt. Sorptie, solubilisatie en admicellaire sorptie van de contaminanten was afhankelijk van de 1- octanol-water partitiecoëfficiënten. Met behulp van relaties die deze afhankelijkheid

3 114 Samenvatting beschrijven kon het effect van surfactanten op transport van verbindingen gesimuleerd worden als functie van de hydrofobiciteit van deze verbindingen. Uit deze simulatie blijkt dat transport van contaminanten meer versneld wordt door surfactanten naarmate de stoffen hydrofober zijn. Hoofdstuk 4 beschrijft de adsorptie van rhamnolipide aan twee zandgronden. De hoeveelheid geadsorbeerd rhamnolipide nam toe met stijgende concentratie totdat een plateauwaarde werd bereikt. De hydrofobe biosurfactant componenten werden preferentiëel geadsorbeerd. Begrip van rhamnolipide adsorptie is van belang omdat adsorptie de werking van het biosurfactant negatief kan beïnvloeden. Terwijl Hoofdstuk 2 en 3 gaan over bodemcontaminanten die geadsorbeerd zijn aan bodem of modelmatrices, gaan Hoofdstuk 5, 6 en 7 over contaminanten die in bodem aanwezig zijn als vloeibare, niet watermengbare fase ('non-aqueous phase liquid'). Dit soort verontreiniging wordt vaak aangetroffen op locaties waar organische oplosmiddelen of minerale olie gebruikt zijn. Het bepalen van de hoeveelheid en de mobiliteit van niet opgeloste verontreinigingen is nodig om een schatting te maken van verspreidingsrisico's en van reinigingsduur. Het werk dat gepresenteerd wordt in Hoofdstuk 5 had tot doel te bepalen of deze factoren te kwantificeren zijn met tracers. Tracers zijn stoffen waarvan het stromingsgedrag informatie oplevert over het doorstroomde gebied. Uit de resultaten blijkt dat retardatiefactoren voor partitionerende tracers en oppervlaktetracers gerelateerd zijn aan respectievelijk de hoeveelheid en de mobiliteit van onopgeloste, vloeibare verontreinigingen die zijn geïmpregneerd in poreuze matrices. Deze tracers zouden dus gebruikt kunnen worden om de verontreinigingsgraad en verwijderingssnelheid van onopgeloste verontreinigingen te bepalen. De matrices die in Hoofdstuk 5 zijn gekarakteriseerd, zijn ook gebruikt in Hoofdstuk 6. Hoofdstuk 6 beschrijft het effect van rhamnolipide op de afbraak van de vloeibare bodemcontaminant hexadecaan door de bacterie P. aeruginosa. Dit effect is bepaald voor hexadecaan dat geïmpregneerd was in poreuze matrices en voor hexadecaan dat vrij aanwezig was. Het blijkt dat rhamnolipide twee verschillende processen stimuleert die belangrijk zijn voor de reiniging van bodems die vervuild zijn met vloeibare contaminanten. Deze processen zijn de verwijdering van substraat vanaf matrices naar waterfase en de biodegradatie van substraat. De versnelling door rhamnolipide van biodegradatie lijkt te worden veroorzaakt door een stimulatie van de opname van substraat door de bacterie. Afbraak van hexadecaan door P. aeruginosa werd ook versneld door toevoeging van een aantal synthetische surfactanten, maar rhamnolipide had duidelijk het grootste effect. Dit duidt op het bestaan van een specifieke interactie tussen rhamnolipide en de bacterie. In Hoofdstuk 7 worden de resultaten beschreven van een onderzoek naar de interactie tussen het rhamnolipide biosurfactant en bacteriën. Rhamnolipide versnelde de afbraak van hexadecaan door P. aeruginosa maar had geen of slechts een gering effect op de afbraak van hexadecaan door de biosurfactant-producerende bacteriën Acinetobacter calcoaceticus, Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter paraffineus en een ongeïdentificeerde stam BCG112. Samen met de resultaten verkregen in Hoofdstuk 6 duidt dit op het bestaan van een specifieke interactie tussen rhamnolipide en P. aeruginosa. Om meer inzicht te krijgen in deze interactie is het effect van surfactanten bepaald op de opname van substraat door P. aeruginosa. De versnelling door rhamnolipide van de epoxidatie van α,ωtetradecadiëen door een cellsuspensie van P. aeruginosa geeft aan dat rhamnolipide de opname van dit hydrofobe substraat versnelde. Ook versnelde het rhamnolipide de opname van het fluorescente hydrofobe modelsubstraat 1-naphthylphenylamide door

4 Samenvatting 115 P. aeruginosa. Het blijkt dat de versnelling door rhamnolipide energie-afhankelijk is. Het kost de bacterie dus energie om substraat sneller op te nemen. Dit energie-afhankelijke, door rhamnolipide gefaciliteerde opnameproces wijst op een tot dusverre onbekende manier waarop P. aeruginosa hydrofobe substraten opneemt. In Hoofstuk 8 wordt beschreven wat de resultaten gepresenteerd in de voorafgaande hoofdstukken bijdragen aan het begrip van het effect van biosurfactanten op de biobeschikbaarheid van hydrofobe bodemcontaminanten. Belangrijke processen die versneld worden door rhamnolipide zijn de desorptie van gesorbeerde contaminanten, de verwijdering van vloeibare contaminanten vanaf matrices, en de opname door P. aeruginosa van contaminanten. Hierdoor kan rhamnolipide de biobeschikbaarheid van deze verbindingen verhogen. De versnelling door rhamnolipide van hexadecaan biodegradatie door P. aeruginosa wordt veroorzaakt doordat rhamnolipide een verhoging van de snelheid van opname van substraat teweegbrengt. Omdat bacteriën hydrofobe substraten op verschillende wijze opnemen, is het te begrijpen dat biosurfactanten slechts de groei van bepaalde bacteriën stimuleert. Hoofdstuk 8 besluit met het beschrijven van de implicaties van de resultaten van dit onderzoek voor het gebruik van biosurfactanten voor biologische bodemreiniging. Er wordt geconcludeerd dat het gebruik van biosurfactanten goede kans van slagen heeft om een groot gedeelte van een verontreiniging versneld te verwijderen met 'pump and treat' technieken. Alhoewel biosurfactanten onder bepaalde omstandigheden afbraak van bodemverontreinigende stoffen sterk kunnen versnellen, lijkt het toedienen van biosurfactanten voor het stimuleren van in situ biodegradatie minder voor de hand liggend omdat slechts een beperkt aantal bacteriën door deze verbindingen worden gestimuleerd.

5 116 Samenvatting