TUGAS REVIEW JURNAL INTERNASIONAL Yang berjudul Biodegradasi anaerobik BTEX dalam Material Akuifer ”Anaerobic Biodegradation of BTEX in Aquifer Material” Oleh Robert C. Borden*, Melody J. Hunt*, Michael B. Shafer* and Morton A. Barlaz* 1. Lata Belakang Teori dan Tujuan Penelitian Penelitian ini fokus pada biodegradasi anaerobik benzena, toluena, Ethylbenzene dan isomer silena (BTEX) dalam akuifer bahan dari dua akuifer petroleum-terkontaminasi: Sleeping Bear Dunes National Lakeshore (SB) di Michigan dan situs dekat Rocky Point, Carolina Utara (RP). Dua lokasi yang diperiksa adalah dipilih karena perbedaannya dalam ukuran membanggakan, waktu kontaminan tertinggal, lingkungan geokimia dan seting geologi. Di kedua lokasi, pemantauan lapangan sebelumnya menunjukkan bahwa biodegradasi anaerobic dari satu atau lebih komponen BTEX itu terjadi (Borden et al, 1995; Wilson et al, 1994..). Dua teknik yang berbeda digunakan untuk mengevaluasi kemampuan mikroorganisme asli untuk anaerob menurunkan BTEX dan untuk memperkirakan tingkat degradasi: (1) sampel destruktif laboratorium mikrokosmos; dan (2) ruang uji in-situ. Kedua teknik terdiri dari spiking akuifer sedimen dengan senyawa BTEX dan pemantauan menghilang dari waktu ke waktu. Kondisi Eksperimental dirancang untuk meniru kondisi sekitar di dalam akuifer semaksimal mungkin. Kematian kontrol dipantau pada waktu yang sama untuk membedakan antara kerugian biologis dan abiotik. 2. Metode Laboratorium mikrokosmos dibangun dengan bahan akuifer dari sumber, lokasi pertengahan dan akhir-plume pada kedua situs. Mikrokosmos disiapkan dalam botol serum dengan sedimen yang tinggi dalam air rasio 1,8 g kering / mLiter. Prosedur percobaan didasarkan pada protokol EPA untuk estimasi mikrobiologi anaerob data rate transformasi (Federal Register, Vol. 53, No 115). Beberapa mereplikasi mikrokosmos dibangun menggunakan sedimen yang dicampur akuifer dan air tanah yang sembuh dalam kondisi anaerobik. Akuifer sedimen dikumpulkan aseptik dan anaerobik menggunakan metode yang dikembangkan oleh U. S. EPA (Dunlap et al, 1984.). Air tanah dikumpulkan secara anaerobik melalui saringan 0,45 mikron dari pemantauan sumur yang berdekatan untuk setiap lokasi inti. Mikrokosmos yang dibubuhi sekitar 2.000 mg / Liter benzena, toluena, Ethylbenzene, o-xylene dan m-xylene dan diinkubasi dalam wadah anaerobik disimpan pada suhu tanah-air ambient, 16oC. Mikrokosmos dibangun dalam sebuah kotak sarung tangan anaerob menggunakan teknik aseptik. Agen pengurang ditambahkan ke mikrokosmos dibangun dengan sedimen SB sementara Fe II(aq) alami berperan sebagai agen pengurang dalam mikrokosmos RP. Resazurin ditambahkan ke semua mikrokosmos dan kondisi anaerobik ditunjukkan selama periode pemantauan. Mikrokosmos dan rangkap tiga kontrol abiotik dikorbankan pada interval sekitar bulanan slama satu hingga dua tahun dan dianalisa untuk menentukan kehilangan BTEX dan perubahan akseptor elektron lain dan donor. Kolom in-situ digunakan di satu lokasi untuk perbandingan dengan mikrokosmos laboratorium dan mirip dengan system digunakan oleh Gillham et al. (1990). Tiap kolom terdiri dari ruang (1,0 m panjang) dimana sedimen dan air tanah adalah terisolasi dari akuifer sekitarnya untuk observasi
dikendalikan. Kolom dipasang oleh pengeboran pilot lubang dan kemudian menginstal 15 cm-diameter oleh 3 ayat m-panjang polivinil klorida (PVC) casing. Stainles steel tubing dan 3 m drill rod melekat pada ruang peralatan. Argon dipompa ke casing untuk menggantikan setiap hadir oksigen. Kolom ini kemudian didorong ke dalam akuifer. Suction diaplikasikan pada stainless baja feed line untuk memastikan bahwa kolom itu terisi penuh dengan akuifer material. Kolom kemudian diisi dengan anaerobic air tanah yang mengandung BTEX. Dua mikrokosmos kolom dan satu kontrol abiotik percobaan yang digunakan adalah masing-masing. kolom abiotik kontrol dibuat dengan menambahkan inhibitor kepada injeksi air (konsentrasi akhir ini baik HCL 0,1 N atau 500 mg formaldehida / Liter). Semua kolom dipantau untuk BTEX, terlarut besi, sulfat, klorida, pH dan oksigen terlarut (DO). Metode analisis diikuti dalam mikrokosmos dan in-situ percobaan kolom dijelaskan di tempat lain (Hunt et al, 1997.; Beckman, 1994). Efektif penghapusan tarif orde pertama untuk BTEX dalam mikrokosmos dan kolom in-situ diperkirakan dengan menggunakan persamaan C = Co exp (-Kt), dimana K adalah jelas orde pertama tingkat peluruhan (hari-1), t adalah waktu dan Co merupakan konsentrasi awal. Secara biologis tingkat kerugian dihitung sebagai perbedaan antara tingkat kerugian dalam mikrokosmos dan kontrol abiotik selama periode waktu yang kerugian biologis diamati. Pelajar dua sisi's pengujian, asumsi varians tidak sama, dilakukan untuk menentukan jika tingkat mikrokosmos secara statistik berbeda dengan abiotik mengendalikan nilai. 3. Hasil dan Pembahasan Hasil analisis penelitian ini dapat diuraikan sebagai berikut : Hasil dan Diskusi pada situs Sleeping Bear. Situs pertama (SB), terletak di Sleeping Bear Dunes Nasional Lakeshore, Michigan, adalah sebuah outwash glasial sangat transmisive terdiri dari pasir kasar dan kerikil dengan kalsium karbonat fragmen. Tanah memiliki kandungan karbon organik relatif tinggi (sampai 2,2%) yang terutama terjadi sebagai lapisan pada butir pasir (> 94%) (Barat et al., 1994). Bulu-bulu alkylbenzene mencakup span relatif singkat (25 m) sebelum dicegat oleh Platte Sungai. Kontaminan tinggal waktu dalam akuifer bervariasi dari 5 untuk 53 minggu karena fluktuasi gradien muka air. Oksigen, nitrat dan sulfat dengan cepat dikonsumsi, dan terlarut besi diproduksi di tepi upgradient dari tumpahan hidrokarbon. Di daerah sumber dan downgradient terkontaminasi akuifer, metana diproduksi dan terlarut BTEX penurunan konsentrasi (Tabel 1). Data pemantauan lapangan menunjukkan bahwa biodegrades toluene Gambar 1.
Hasil Mikrokosmos Tingkat dan pola biodegradasi serupa pada ketiga lokasi di lokasi SB. Biodegradasi Toluena bawah metanogen kondisi di semua tiga lokasi setelah periode lag yang bervariasi 60-246 hari. Orde pertama tingkat peluruhan selama periode biodegradasi aktif adalah 0,042, 0,023 dan 0,032 d-1 untuk sumber, pertengahan dan akhir bulu-bulu mikrokosmos, masing. Gambar 2 menunjukkan variasi dalam toluena terlarut dan metana dalam mikrokosmos dari lokasi pertengahan membanggakan. Peningkatan metana jauh melebihi jumlah yang dapat diharapkan dari kerugian BTEX diukur, menunjukkan bahwa lain substrat terdefinisi sedang biotransformed. Selain itu, sebagian besar metana yang dihasilkan selama periode ketika toluena tidak biodegrading (Gambar 2). Tren serupa diukur dalam sumber dan mikrokosmos akhir membanggakan. Akuifer bahan yang digunakan dalam mikrokosmos mengandung ~ 0,6% organic karbon sambil Barat et al. (1994) menemukan sampai dengan 2,2% karbon organic di pasir akuifer 21 m upgradient yang membanggakan. Asetat juga telah terdeteksi dalam air tanah dari situs (Wilson et al, 1994.). Jadi, latar belakang karbon organik adalah donor elektron utama di SB sedimen dari ketiga lokasi. Inisiasi metana produksi sebelum toluena biodegradasi dan panjang lag kali sebelum terjadinya biodegradasi toluena mungkin karena dengan kehadiran substrat lebih mudah terdegradasi. Dalam studi tentang kultur metanogen berasal dari terkontaminasi akuifer sedimen, Edwards dan Grbic-Galic (1994) menemukan adanya substrat organik lain seperti asetat, asam amino dan propionat menghambat degradasi anaerobic toluena dan o-xylene. Tidak ada bukti dari o-xilena, mxylene atau benzene biodegradasi pada setiap lokasi atau Ethylbenzene biodegradasi dalam sumber dan mikrokosmos pertengahan membanggakan. Namun, untuk endplume yang mikrokosmos, hasil Ethylbenzene yang ambigu. Pertama loss order Ethylbenzene dalam mikrokosmos tidak berbeda nyata dari kontrol abiotik atas seluruh tes periode, namun ada bukti degradasi Ethylbenzene dalam ulangan dipilih. Wilson et al. (1994) melaporkan angka biodegradasi untuk BTEX komponen berdasarkan pemantauan bidang membanggakan SB ditambah dengan perkiraan waktu retensi kontaminan sebelum pembuangan ke Sungai Platte. Mengingat ketidakpastian dalam perhitungan baik in-situ dan tingkat mikrokosmos biodegradasi, kuantitatif perbandingan dari hasil laboratorium dan tingkat lapangan Wilson et al. adalah tidak tepat. Kualitatif perbandingan lapangan dan Data laboratorium menunjukkan konsistensi berkenaan dengan: (1) tidak adanya biodegradasi benzena, (2) produksi metana, dan (3) biodegradasi preferensial toluena. Sementara data laboratorium tidak mendukung atau menghalangi tingkat rendah Ethylbenzene biodegradasi, Wilson et al. (1994) melaporkan Tingkat biodegradasi Ethylbenzene yang 10% dari Tingkat dilaporkan untuk toluena. In-Situ Kolom Hasil Dua set percobaan dilakukan pada kolom yang midplume lokasi di lokasi RP untuk perbandingan dengan mikrokosmos hasil. Dalam setiap rangkaian percobaan, dua kolom mikrokosmos dioperasikan secara paralel dengan satu kontrol abiotik. mikrokosmos Semua dan kolom kontrol abiotik menunjukkan konsentrasi awal penurunan beberapa ratus mg / Liter karena serap ke akuifer sedimen (Beckman, 1994). Konsentrasi hidrokarbon di kolom abiotik tetap konstan atau menurun perlahan-lahan setelah drop awal, menunjukkan bahwa biologi aktivitas atau hubungan arus pendek tidak terjadi di kolom kontrol. Konsentrasi DO tetap rendah (<0,2 mg / Liter) di seluruh semua
percobaan. Tingkat kerugian biologis dihitung sebagai selisih antara tarif di mikrokosmos dan abiotik kontrol, ketika angka ini secara statistik berbeda. Mikrokosmos tingkat kerusakan diperkirakan dengan menggabungkan hasil dari kolom mikrokosmos dua selama periode aktif biodegradasi. Set pertama eksperimen dilakukan dengan menggunakan air tanah dari sumur terdekat yang habis dalam toluena dan-xilena o tapi mengandung konsentrasi yang lebih tinggi dari benzene, Ethylbenzene, m-, p-xilena, pseudocumene (1,2,4-trimethylbenzene) dan mesitylene (1,3,5-trimethylbenzene). Sampel dikumpulkan bulanan untuk sekitar 250 hari saat percobaan adalah dihentikan karena volume sampel yang terbatas. M-, p-xylene, benzena dan pseudocumene dibiodegradasi setelah periode lag awal yang bervariasi 85-121 hari. Pada siang hari 251, m-, p-xylene telah turun lebih dari 90% (Gambar 5), benzena mengalami penurunan sebesar 50% (Gambar 6a) dan pseudocumene mengalami penurunan sebesar 75% menjadi 90%. Dalam kolom kontrol, m-, p-xylene mengalami penurunan sebesar lebih dari 48%, benzen mengalami penurunan sebesar 22% dan pseudocumene memiliki menurun sebesar 35%. Tidak ada bukti toluena, o-xylene, etil-bensin atau mesitylene biodegradasi dalam mikrokosmos baik kolom. Ketiadaan toluena dan biodegradasi oxylene ini mungkin karena konsentrasi awal yang rendah dari senyawa (<50 mg / Liter). Dalam kolom mikrokosmos, DO masih di bawah deteksi (<0,2 mg / Liter), sulfat sedikit menurun dari 1,3 mg / Liter dengan batas deteksi (~ 0,3 mg / Liter) dan pH tetap konstan sebesar 6,3. Dalam kolom mikrokosmos pertama, besi terlarut meningkat dari 111 menjadi lebih dari 200 mg Liter /, sedangkan di yang kedua kolom mikrokosmos, besi terlarut meningkat dari 99 sampai 140 mg / Liter. Pada set kedua percobaan, kolom yang reloaded dengan air tanah yang mengandung konsentrasi yang lebih tinggi dari benzene (1.000 menjadi 1.300 mg / Liter) dan konsentrasi yang sangat rendah TEX (~ 20 mg / Liter) untuk menentukan apakah biodegradasi benzena akan melanjutkan. biodegradasi Benzene mulai setelah 41 hari lag periode, dan siang hari 334 benzena telah menurun dari lebih dari 1.000 mg / Liter sampai 11 mg / Liter pada kolom 1 dan 8 mg / Liter di kolom 2 (Gambar 6b). Air tanah yang digunakan untuk reload in-situ kolom ini diperoleh dari sebuah sampler bertingkat di dekatnya. Sebelumnya pemantauan mengindikasikan bahwa konsentrasi sulfat ini air tanah sangat rendah (~ 1 mg / Liter). Namun, setelah Refresh kolom, konsentrasi sulfat dalam mikrokosmos kolom 1 dan 2 adalah 85 dan 65 mg / Liter, masing-masing. Tambahan pemantauan menegaskan bahwa pulsa sulfat air tanah tinggi sudah migrasi melewati asupan sampler bertingkat pada saat itu air tanah dikumpulkan untuk injeksi ke dalam kolom in-situ. Selama percobaan ini, sulfat tetap konstan dalam kolom 2 tetapi menurun sebesar 25% dalam kolom 1, dan besi terlarut tetap konstan di kedua kolom. Data tidak cukup untuk positif mengidentifikasi akseptor elektron yang digunakan untuk benzene degradasi dalam percobaan kolom insitu. Pertama-order Biodegradasi Harga Orde pertama tingkat biodegradasi dari kolom disitu eksperimen dibandingkan dengan tarif biodegradasi dari laboratorium mikrokosmos dan pengukuran lapangan di Tabel 2. Tingkat biodegradasi m-, p-xylene di kolom in-situ dan m-xylena di mikrokosmos laboratorium adalah serupa. Namun, periode lag sebelum memulai biodegradasi lebih panjang pada di-situ kolom. Periode lag sebelum iodegradasi benzene di mikrokosmos laboratorium dan kolom in-situ pertama percobaan serupa. Namun, tingkat benzene biodegradasi pada percobaan kolom pertama in-situ adalah factor lima lebih rendah dari tingkat mikrokosmos laboratorium. Selama ini percobaan, benzena dibiodegradasi bersamaan dengan m-, p-xylene. Namun, dalam mikrokosmos,
m-xylene benar-benar terdegradasi sebelum memulai biodegradasi benzena. Dalam kedua di-situ percobaan, hanya benzena hadir dan benzene tingkat biodegradasi mirip dengan mikrokosmos laboratorium. Dalam kebanyakan kasus, yang diukur tingkat biodegradasi bagi individu senyawa yang sebanding dalam kedua kolom dan mikrokosmos tetapi satu atau dua lipat lebih tinggi daripada tingkat diperkirakan dari investigasi lapangan (Borden et al, 1994.). Salah satu kemungkinan penyebab perbedaan ini adalah prosedur yang digunakan untuk menghitung biodegradasi tarif. Dalam mikrokosmos laboratorium dan insitu yang kolom, ada periode lag tertentu sebelum memulai biodegradasi. Tingkat laboratorium dan in-situ kolom yang dihitung selama periode biodegradasi aktif setelah lag periode telah berakhir. Di lapangan, biasanya tidak mungkin untuk mengidentifikasi zona dimana biodegradasi yang paling aktif, dan dilaporkan Tingkat degradasi adalah untuk waktu perjalanan selama seluruh membanggakan. Perbedaan besar antara mikrokosmos laboratorium, in-situ kolom dan tingkat biodegradasi skala lapangan bagi individu Senyawa dapat dikurangi dengan menggunakan parameter dikelompokkan seperti total BTEX. Dalam mikrokosmos laboratorium, satu atau lebih Komponen BTEX yang merendahkan seluruh percobaan, jadi model orde pertama pembusukan sederhana cocok erat total BTEX hasil untuk seluruh percobaan tanpa lag diamati di BTEX total biodegradasi (Gambar 3c). Di lapangan, satu atau lebih Komponen BTEX yang biodegrading di lokasi mana pun, dan akibatnya orde pertama fungsi pembusukan lebih dekat pertandingan data lapangan di sepanjang seluruh bulu-bulu. Ketika mikrokosmos laboratorium, kolom in-situ dan tingkat lapangan dibandingkan, Tingkat biodegradasi total BTEX jauh lebih konsisten dibandingkan tingkat untuk senyawa individu. Sebagai contoh, laboratorium biodegradasi tarif untuk benzena adalah 120 kali tingkat lapangan, sedangkan tingkat laboratorium untuk BTEX total hanya 6 kali tingkat lapangan. The benzena tertinggi laju degradasi dalam in-situ kolom adalah 115 kali tingkat lapangan, sedangkan total BTEX laju degradasi dalam kolom hanya 2,6 kali tingkat lapangan. Sebuah penyebab potensial kedua untuk diamati perbedaan antara laboratorium mikrokosmos kolom, in-situ dan biodegradasi lapangan tarif adalah variasi spasial dalam aktivitas biologis. Tingkat dilaporkan pada Tabel 2 dihitung dari kolom dan laboratorium pengukuran di lokasi tunggal (pertengahan membanggakan). Pada kedua lokasi (sumber area) tidak ada bukti BTEX biodegradasi, dan di lokasi ketiga (end-plume) hasil adalah variabel. Sebaliknya, tingkat lapangan degradasi adalah diperkirakan dari sumur pemantau data yang dikumpulkan sepanjang bulu-bulu dan harus mewakili skala besar, spatiallyaveraged . 4. Kesimpulan dan Rekomendasi Biodegradasi anaerobik BTEX 1. Benzena, toluena, Ethylbenzene dan isomer xylena adalah anaerobik biodegradable bawah bawah permukaan ambient kondisi menggunakan besi besi, sulfat dan / atau karbon dioksida sebagai terminal akseptor elektron. 2. Perintah yang berbeda biodegradasi sering diamati, dengan toluena menjadi senyawa paling cepat biodegradasi. Namun, urutan ini mungkin berbeda dari situs ke situs. Misalnya, di situs Rocky Point, o-xylene dengan cepat dibiodegradasi; sedangkan di situs Sleeping Bear, tidak biodegradasi signifikan dari o-xylena diamati. 3. Semakin mudah terurai senyawa (toluena, oxylene, m-xylena) tampaknya anaerobik biodegrade ke rendah tetapi terdeteksi konsentrasi (10 sampai 30 mg / Liter) setelah yang
biodegradasi memperlambat atau berhenti. Hal ini tidak jelas apakah biodegradasi senyawa ini akan terus berlanjut setelah lebih sulit untuk mendegradasi senyawa yang habis. 4. Penggunaan model peluruhan orde pertama sederhana tidak memadai menggambarkan individu biodegradasi anaerobic senyawa dalam mikrokosmos laboratorium atau kolom di-situ. Untuk akurat mensimulasikan biodegradasi anaerobik individu senyawa, model yang mencakup dua variabel akan diperlukan: (1) periode lag sebelum biodegradasi, dan (2) tingkat biodegradasi. 5. Periode lag sebelum dimulainya BTEX anaerobic biodegradasi bervariasi dari senyawa ke senyawa dan dari situs ke situs. Sampai sumber variabilitas ini lebih baik mengerti, tidak akan mungkin untuk menggunakan laboratorium mikrokosmos atau kolom di-situ secara akurat memperkirakan waktu dibutuhkan untuk bidang biodegradasi senyawa individu. 6. mikrokosmos Merusak menghasilkan hanya satu konsentrasi pengukuran untuk setiap percobaan independen (mikrokosmos) dan kurang cocok untuk menghasilkan data yang dibutuhkan agar sesuai dengan dua-parameter model. Akibatnya, penggunaan merusak mikrokosmos, sebagaimana ditentukan dalam protokol EPA untuk estimasi anaerob kecepatan data transformasi mikrobiologi, bukan sesuai ketika periode jeda sebelum memulai biodegradasi adalah signifikan. 7. Biodegradasi anaerobik total BTEX lebih dekat mendekati dasawarsa orde kurva dari biodegradasi senyawa individu. Pertama-order Tingkat peluruhan BTEX estimasi jumlah dari laboratorium mikrokosmos, in-situ kolom dan data lapangan pemantauan juga tampaknya lebih konsisten daripada tarif bagi individu BTEX komponen. Penggunaan Laboratorium mikrokosmos dan Kolom in-situ Mengevaluasi Atenuasi Alam BTEX 1. Pada saat ini, tingkat biodegradasi senyawa individu berasal dari mikrokosmos laboratorium dan kolom in-situ tidak dapat diandalkan untuk memperkirakan waktu yang dibutuhkan untuk lengkap biodegradasi di lapangan. 2. Laboratorium mikrokosmos berguna untuk: (1) menunjukkan bahwa senyawa dari keprihatinan peraturan dapat dan tidak terurai dalam kondisi bawah permukaan ambien; dan (2) mengevaluasi dampak dari variabel lingkungan yang berbeda pada laju dan tingkat biodegradasi. 3. Kolom in-situ juga dapat digunakan untuk mengevaluasi senyawa biodegradasi dalam kondisi lingkungan dan dampak perubahan yang berbeda. Kolom in-situ yang relatif sederhana untuk menginstal dan mengoperasikan, erat mereplikasi kondisi ambien, dan mengakibatkan gangguan minimal bahan akuifer. 4. Total BTEX mungkin sebuah parameter lebih tepat untuk atenuasi menggambarkan alam daripada konsentrasi individu senyawa. Biodegradasi BTEX total lebih sangat cocok kurva orde pembusukan daripada individu senyawa. Tingkat degradasi untuk BTEX total juga tampaknya lebih konsisten daripada tingkat biodegradasi individu senyawa. Namun di beberapa kasus, mungkin diperlukan untuk model senyawa individu untuk secara akurat menilai resiko terhadap kesehatan manusia dan lingkungan. 5. Estimasi tingkat biodegradasi lapangan dari titik terbatas pengukuran (laboratorium mikrokosmos atau kolom di-situ) akan sulit karena variasi spasial dalam biologi kegiatan.
