Phytoremediation of soil contaminated with diesel oil using black popular and herbal plants in combination with selected hydrocarbon degrading bacteria, mycorrhiza and compost

Maria Tesar

    Publikation: AbschlussarbeitDissertation

    Abstract

    Phytoremediation stellt eine umweltschonende Art der Bodensanierung für oberflächlich und mittelmäßig stark mit organischen Schadstoffen kontaminierte Standorte dar. Der Stimulierung der Bodenmikroben in der Rhizosphäre durch Pflanzenexudate wird dabei die wichtigste Rolle zugeschrieben. Um die Toleranz von 16 Schwarzpappel Klonen, sowie verschiedener krautiger Pflanzen gegenüber dieselverunreinigtem Boden zu testen, wurde ein Freilandversuch durchgeführt. Ein Klon (Brandaris) zeigte signifikant weniger Wachstumsbeeinträchtigung durch den Schadstoff als die übrigen Klone. Der Einfluss des Klons, sowie das Vorhandensein von Dieselkohlenwasserstoffen auf die mikrobielle Zusammensetzung der Rhizosphäre wurde mittels einer kultivierungsunabhängigen Methode auf Basis des 16S rRNA Gens untersucht. Um ein für weitere Anwendungen geeignetes Inokulum zu erhalten, wurden dieselverwertende Bakterien aus dem Boden isoliert. Die 14 erhaltenen Stämme wurden mittels Sequenzierung des 16S rRNA Gens identifiziert. Unter Beachtung der Fähigkeit Kohlenwasserstoffe abzubauen, des Vorhandenseins eines für Alkanmonooxygenase codierenden Gens (alkB) und der Häufigkeit innerhalb der Rhizosphärenpopulation, wurden 3 geeignete Bakterien/Pflanzen Kombinationen identifiziert. Um die Fähigkeit des ausgewählten Stammes sich im Boden zu etablieren zu untersuchen, wurde ein Gefäßversuch unter Glashausbedingungen durchgeführt. Der Achromobacter - verwandte Stamm dQ wurde als Inokulum in Kombination mit Klon Brandaris auf mit Diesel verunreinigtem Boden getestet. Zur Wiederfindung des Inokulums wurde der Stamm mit einem Gen (gusA) markiert, welches für ein Enzym codiert, das mittels einer Farbreaktion einfach nachgewiesen werden kann. Es zeigte sich, dass die Abnahme der Gesamtkohlenwasserstoffe bereits durch Kultivierung der Pappel und verstärkt bei zusätzlicher Inokulierung mit dQ gegenüber der unbepflanzten Kontrolle stieg. Die Etablierung des Inokulums konnte nachgewiesen werden. Um dieses Ergebnis in größerem Maßstab zu bestätigen wurde ein Großgefäßversuch im Freiland durchgeführt. Luzerne, Gras, sowie die Pappelklone Brandaris und T97 in Kombination mit Bakterien, Mycorrhiza und Kompost wurden in Hinblick auf Abnahme von Dieselkohlenwasserstoffen getestet. Weiters wurde der zeitliche Verlauf des gebildeten Sickerwassers, der Zusammensetzung des Bodengases, sowie des Pflanzenwachstums erhoben. Die Kultivierung der Pflanzen verringerte die Bildung von Sickerwasser deutlich, jedoch konnte keine signifikant erhöhte Abnahme des Schadstoffgehaltes im Vergleich zur unbepflanzten Kontrolle festgestellt werden. Diesbezüglich sollte die geringe Kultivierungszeit berücksichtigt werden. Ein weiteres Ziel der Arbeit war, die Verteilung von Bakteriengruppen, die für den Abbau von Diesel relevant sind, innerhalb der einzelnen Korngrößenfraktionen im Boden zu untersuchen. Dazu wurde Boden-DNA aus kontaminiertem - und Kontrollboden mittels Analyse des 16S rRNA Gens, sowie des für Alkanmonooxygenase codierenden Gens (alkB) charakterisiert. Eng verwandte Bakteriengruppen (10), die das alkB-Gen besaßen, wurden ausschließlich im nicht fraktionierten Boden, sowie in Tonpartikeln des kontaminierten Bodens nachgewiesen. Phytoremediation - an environmentally sound method to clean up moderate and superficial site contamination - is based on the stimulation of rhizosphere microorganisms by plant roots. This degradation process may be accelerated by inoculation with appropriate microorganisms that are able to break down pollutants and to compete with indigenous microorganisms. Initially an outdoor pot experiment, in which 16 black poplar clones and 4 herbal plant species were cultivated in soil contaminated with diesel fuel, was performed, in order to identify plants with high tolerance to the pollution. One black poplar clone (Brandcris) showed significantly higher tolerance of diesel fuel contamination, whereas the growth of the remaining clones was severely inhibited. The effect of the plant species and clones and of the diesel contamination on rhizosphere bacterial communities was tested using a 16S rRNA-based cultivation-independent approach to characterize the rhizoflora. It was found that diesel contamination had a more pronounced effect than the plant variety. In order to obtain potential inoculant strains, diesel-degrading microbes were isolated from the rhizosphere. Fourteen diesel degrading strains were isolated and identified by 16S rRNA gene sequencing. Taking into account the presence of alkB genes, the ability to utilize alkanes, as well as the abundance in the rhizosphere, three plant/microbe combinations were identified to be promising for future phytoremediation applications. A small scale green house experiment was carried out to confirm the ability of the selected strain to establish in the soil environment. Therefore the black poplar clone Brandcris und the Achromobacter like bacterial strain dQ as inoculum were tested on diesel fuel contaminated soil. For detecting the inoculant strain it was marked with the gusA gene enabling easy detection. Degradation of total hydrocarbons was enhanced by poplar cultivation and even more when the diesel degrading strain was applied. Furthermore the establishment of the inoculum in soil was demonstrated. To check the effectiveness of plant/microbe combinations at larger scale, a pot experiment was conducted outdoors, where the poplar clones Brandaris and T97 in combination with bacterial and mycorrhizal inocula and compost application, as well as alfalfa and ryegrass were tested. Hydrocarbon degradation, plant development, as well as time-dependent behavior of soil gas composition and leachate water- were determined. Although cultivation of plants had a significant influence on the amount of leachate water, degradation of the pollutant was not affected significantly. In this respect the short period of plant cultivation should be taken into account: There was a correlation found between high biomass production, subsequent low soil water content and lower degradation rates of the pollutant. Furthermore the diversity of microbes relevant for diesel degradation attached to particular soil size fractions was investigated. Analysis of 16S rRNA and alkB genes of diesel fuel contaminated and control soil were compared. Bacterial groups possessing the gene for alkane monooxygenase (alkB) were found just in the clay fraction and the unfractionated sample of polluted soil. Approximately 10 groups of distinctly related organisms holding this gene were detected.
    OriginalspracheEnglisch
    Gradverleihende Hochschule
    • University of Vienna
    PublikationsstatusVeröffentlicht - 2002

    Research Field

    • Nicht definiert

    Schlagwörter

    • Dissertation

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