PROIECT PN-II-PT-PCCA-2013-4-0347

”TEHNOLOGIE DE BIOREMEDIERE A SOLURILOR

POLUATE CU HIDROCARBURI PETROLIERE”

Nr. contract: 108/2014

Domeniul prioritar: 3 - Mediu

Tematica de cercetare: 3.3.3 - Eco-tehnologii de reabilitare şi

reconstrucţie ecologică; tehnologii de remediere a solurilor contaminate.

RAPORT STIIȚIFIC ETAPA IV 2017:

DEMONSTRAREA EFICIENTEI VERIGILOR TEHNOLOGICE PENTRU

REMEDIEREA SOLURILOR POLUATE CU HIDROCARBURI

2

REZUMAT

Activitățile derulate în cadrul etapei a IV-a a proiectului BIOPETROTEH au avut

drept scop realizarea obiectivului major al proiectului, respectiv elaborarea unei

tehnologii complexe de bioremediere.

Au fost continuate activitățile de monitorizare și întreținere a câmpului demonstrativ

precum și recoltarea și analizarea probelor de sol în vederea validării tehnologiei de

bioremediere propuse.

Din analiza datelor obținute au fost stabilite recomandările pentru aplicarea verigilor

tehnologice necesare decontaminării prin procedeul de bioremediere.

De asemenea, au fost realizate activități de diseminare a rezultatelor prin participare

la conferințe, publicare de articole și a unei cărți, precum și prin discuții cu autorități

decizionale în privința legislației de mediu.

În vederea actualizării legislației cu privire la valorile ghid pentru conținutul total de

hidrocarburi petroliere în sol privind evaluarea poluării mediului, reglementate prin

Ordinul Ministrului Apelor, Pădurilor şi Protecţiei Mediului nr. 756 din 3 noiembrie

1997, în data de 12 septembrie 2017, un grup din echipa de management a

proiectului BIOPETROTEH condus de dl. Prof.dr. Mihail Dumitru – Directorul

proiectului a avut o întrevedere cu Dl Secretar de Stat Eugen Constantin Uric la

Ministerul Mediului, unde a fost prezentată și argumentată propunerea de modificare

a limitelor hidrocarburilor petroliere în sol, în acord cu rezultatele cercetărilor.

3

REZULTATE OBȚINUTE

TEHNOLOGIE DE BIOREMEDIERE A SOLURILOR POLUATE CU HIDROCARBURI

PETROLIERE

În România, teritoriul afectat de poluarea cu petrol și apă sărată ocupă o suprafață

totală de 50,1 mii ha, din care 96,6% o reprezintă sondele de petrol și 3,4% sondele

de gaz. Suprafața poluată este ca un mozaic în perimetrul de extracție al sondei și

uneori în afara perimetrului sondelor, în lungul conductelor de transport, în zona

depozitelor de petrol, a rafinăriilor, a depozitelor de diferite fracții petroliere, atelierele

de întreținere și spălare a autovehiculelor, etc.

Solurile contaminate cu motorină sau benzină sunt mult mai greu de tratat decât produsele petroliere mai volatile, de ex. gazolina (Chien și colab, 2010). Efectele dăunătoare ale hidrocarburilor petroliere asupra mediului ambiant pot fi diverse: a) unii compuși pot afecta gustul și mirosul, astfel încât prezența lor în apele de suprafață și freatice, chiar și în mici cantități, face ca acestea să nu mai fie pretabile pentru consum; b) compușii volatili pot alcătui amestecuri inflamabile, explozive cu oxigenul din aer; c) unii compuși aromatici și poliaromatici au evidențiat efect carcinogenic, putând fi toxici sau mutageni, benzenul spre ex. având efect carcinogenic chiar și la absorbția prin piele; d) inhalarea vaporilor poate conduce la grețuri, reacții toxice acute, afecțiuni hepatice ori efecte teratogene ((Hening și Vidican, 2014). În Ordinul Ministrului Apelor, Pădurilor şi Protecţiei Mediului nr. 756 din 3 noiembrie 1997 pentru aprobarea Reglementării privind evaluarea poluării mediului, sunt prezentate ca valori ghid pentru conţinutul total de hidrocrburi petroliere în sol următoarele:

- valori normale: mai puţin de 100 mg/kg;

- valori de alertă pentru soluri sensibile: 200mg/kg;

- valori de alertă pentru soluri mai puţin sensibile: 1.000 mg/kg;

- valori de intervenţie pentru soluri sensibile: 500 mg/kg;

- valori de intervenţie pentru soluri mai puţin sensibile: 2.000 mg/kg.

Solurile sensibile includ toate solurile din zonele rezidenţiale şi recreaţionale, solurile folosite pentru scopuri agricole şi solurile din zonele nedezvoltate. Solurile mai puţin sensibile includ toate solurile cu folosinţă comercială şi industrială şi suprafeţele de teren care vor căpăta o astfel de folosinţă în viitorul apropiat.

Toxicitatea petrolului și a produselor petroliere se împarte în două categorii: imediată și pe termen lung. Cea imediată este cauzată de hidrocarburile saturate care în concentrații mari produc moartea organismelor. Hidrocarburile aromatice sunt cele mai toxice, iar hidrocarburile olefinice au o toxicitate intermediară între cele saturate și cele aromatice. Toxicitatea pe termen lung este dată de interferența dintre hidrocarburi și componentele solului dizolvate în apă, interferența cu numeroși mesageri chimici, cu rol de nutriție și reproducere a multor organisme acvatice,

4

conducând la dezechilibre ecologice. Distribuția pe profil a poluantului este dependentă de cantitatea de poluant,

caracteristicile poluantului, configurația terenului, caracteristicile solului și timpul de

staționare. În solurile cu orizonturi slab permeabile sau impermeabile, apare

deasupra acestora o zonă de concentrare a poluantului, deoarece prin proprietățile

sale de corp polidispers, eterogen, solul acționează ca o coloană cromatografică.

Componentele petrolului sunt reținute în special în orizonturile superioare, iar apa

peliculară ce însoțește petrolul în diverse proporții, cu densitate mai mare și mai

puțin vâscoasă pătrunde mai repede în orizonturile inferioare. Fracțiile volatile din

petrol, ce conțin 6-7 atomi de carbon în moleculă se volatilizează, iar hidrocarburile

nevolatile tind să se concentreze și să se solidifice. Odată cu trecerea timpului,

procesul de redistribuire a componentelor petrolului pe profilul solului se

accentuează, având loc o reținere a gudroanelor și asfaltenelor.

Petele de petrol conduc la un dezechilibru a raportului C:N în toate locurile cu pete

de petrol, deoarece petrolul proaspăt este în esență un amestec de C și H. Aceasta

cauzează un deficit de N în solurile îmbibate cu petrol, care încetinește creșterea

bacteriilor și utilizarea surselor de carbon. În plus, deficiențele de N și diferiți nutrienți

cum este fosforul, pot limita rata de creștere în solurile îmbibate cu petrol. În plus,

concentrațiile mari de produse organice biodegradabile în orizontul superior al

solurilor agricole scad rezervele de oxigen din sol și reduc viteza de difuziune a

oxigenului în straturile mai adânci. Poluanții din petrol tind să persiste în sol până ce

măsurile de remediere, implicând aplicarea nutrienților, sunt folosite, deoarece O și

N sunt factori limitativi ai tuturor tipurilor de degradare a petrolului.

Contradicția dintre tendința concentrației și bioaccesibilității pentru un contaminant

din sol poate fi explicată prin sorpția mai puternică, aproape ireversibilă de către

oxizii de Fe și Al ori argilele silicatice, ori prin complexarea chimică cu materia

organică. În plus, moleculele contaminantului pot deveni izolate fizic pe trei căi.

Prima, moleculele contaminantului pot fi prinse în capcana nanoporilor solului,

capetele spațiilor porilor de la 1 la 100 nm în diametru. Acești pori, în interiorul

humusului și coloizilor argiloși sunt suficient de largi pentru a adăposti moleculele

contaminantului, dar prea mici pentru intrarea bacteriilor sau chiar a enzimelor

extracelulare care altfel ar fi capabile să atace contaminantul. A doua, moleculele

contaminantului pot difuza în pori, pot fi absorbiți pe structura solidă a particulelor de

humus, unde, din nou, ele nu mai sunt expuse la celulele vii ori la enzimele lor. A

treia, moleculele contaminantului pot deveni îngropate, ori ocluse, sub stratul mineral

precipitat, și izolate din nou față de interacțiunile biologice. Moleculele poluantului

prinse în capcană prin oricare din aceste mecanisme poate oferi un risc redus de

mobilitate în mediu ori toxicitate biologică chiar dacă concentrația lor totală în sol

rămâne ridicată.

5

Datorită acestui proces de îmbătrânire, unii cercetători cred că este necesar ca

standardele de curățire a mediului să fie bazate mai mult pe bioaccesibilitatea

măsurată a contaminantului decât pe concentrația lor totală.

Termenul de remediere acoperă: măsurile de eliminare ori reducere a poluării (măsuri de decontaminare ) și măsuri de prevenire ori reducere a împrăștierii poluanților într-o manieră sigură, fără eliminarea poluanților (măsuri de încapsulare).

Tehnicile de tratare care îndeplinesc cerințele sunt selectate și sunt apoi evaluate pe baza a nouă criterii obligatorii: 1) protecția completă a sănătății umane și mediului; 2) conformitatea cu cerințele corespunzătoare aplicabile ori relevante; 3) eficiența pe termen lung și permanent; 4) reducerea toxicității, mobilității ori volumului; 5) eficiența pe termen scurt; 6) implementabilitatea; 7) costul; 8) acceptarea statului și 9) acceptarea comunității.

Dintre metodele de tratare a solurilor poluate cu hidrocarburi petroliere fac parte:

- metode termice: incinerarea, piroliza, desorbția termică, vitrifierea și tratamentul cu microunde;

- metode fizico-chimice: excavarea, pomparea, spălarea, flotația, biospargingul, ventingul, extracția electrocinetică, decontaminarea electroacustică, spălarea și aplicarea undelor electromagnetice și absorbția pasivă pe polimeri;

- imobilizarea fizică: etanșarea, barierele de tratare, blocarea hidraulică și stabilizarea și inertizarea;

- metode chimice: fotooxidarea, dehalogenarea, extracția chimică, oxidarea, reducerea, declorurarea, precipitarea și celula microbiană de carburant;

- metode biologice: atenuarea naturală, fitoremedierea (controlul hidraulic, fitoextracția sau fitoacumularea, fitodegradarea sau fitotransformarea, rizodegradarea, fitostabilizarea, fitovolatilizarea și fitostimularea), bioremedierea și sisteme alternative de bioremediere (bioreactorul, tratarea cu ajutorul terenului agricol, compostarea și sisteme de biooxidare în grămezile de sol).

Tratamentele se pot executa in situ sau ex situ. Principalul avantaj al tratamentului in situ este acela că permite solului să fie tratat fără a fi excavat și transportat. Tratamentele in situ, cer în general perioade mai lungi de timp și sunt mai puțin sigure cu privire la uniformitatea tratamentului datorită variabilității caracteristicilor solului în condiții neverificate.

Bioremedierea in-situ se referă la tratarea biologică a solului contaminat fără

excavare înainte de tratare.

Tehnologiile in situ pot fi mai ieftine, creează mai puțin praf și produce pierderi mai

reduse de contaminanți în mediu comparativ cu tehnologiile ex-situ. De asemenea,

este posibil să trateze volume mai mari de sol într-un anumit moment. Tehnicile in

situ pot fi mai lente, mai greu de condus și sunt mai eficiente pe locurile cu soluri

permeabile (nisipoase sau copactate).

6

Tratamentele ex-situ (includ aplicarea pe terenul agricol, compostarea, bioremedierea în grămada de sol și bioremedierea sub formă de nămol) folosind lucrările solului, întoarcerea ori amestecul continuu al nămolurilor, pentru a aplica oxigen și nutrienți, și este performantă în patul de pregătire ori reactor.

Cercetările care s-au dezvoltat pe plan mondial au avut drept obiectiv major elaborarea unor metode de decontaminare simple, eficiente din punct de vedere economic, rapide, care să asigure prin aplicarea lor in situ blocarea migrării poluanților în subteran, distrugerea poluantului și refacerea cadrului natural.

Tehnologia de bioremediere include biostimularea (stimularea populațiilor microbiene

native viabile), bioaugumentarea (introducerea artificială a populațiile microbiene

viabile), bioacumularea (celule vii), biosorpția (biomasa microbiană moartă),

fitoremedierea (cu plante) și rizoremedierea (interacțiunea dintre plantă și

microorganisme). Rizoremedierea, care este procesul cel mai evoluat al

bioremedierii, implică îndepărtarea contaminanților specifici din produsele reziduale

din locurile contaminate prin interacțiunea mutuală a rădăcinilor plantelor și flora

microbiană pretabilă.

Eficiența bioremedierii este deseori o funcție a populației microbiene și cum pot ele să fie îmbogățite și menținute în mediu. Strategiile pentru o bioremediere in situ ieftină a solurilor contaminate cu hidrocarburi petroliere includ stimularea microorganismelor indigene prin stimularea cu nutrienți (biostimulare) și /ori prin inocularea cu culturi îmbogățite în amestec microbian în sol (bioaugumentare)

Biodegradarea s-a dovedit adecvată pentru:

hidrocarburile petroliere, cum sunt motorina, combustibilul lichid ușor, benzina, petrolul lampant, uleiurile minerale, benzen, toluen, xilen, etc.

deșeurile de la exploatarea țițeiului, nămolurile și reziduurile uleioase;

produsele și reziduurile organice din industria chimică de bază (alcooli, acetonă, fenoli, aldehide și alți solvenți);

compuși complecși de tipul hidrocarburilor aromatice policiclice și pesticidelor.

În timpul tratamentului prin biodegradare trebuie urmăriți factorii fizici (caracteristicile mediului poluat: permeabilitate, porozitate, granulometrie, structură, textură, etc., prezența O2, umiditate, temperatură, pH, aderența poluantului la particulele de sol sau sedimente), factorii chimici (natura și concentrația poluantului, gradul de toxicitate al poluantului, solubilitatea poluantului, bioaccesibilitatea poluantului, prezența sau absența unui co-substrat, salinitatea mediului, prezența nutrienților accesibili, conținutul organic din mediu, biodegradabilitatea poluantului) și factorii biologici (densitatea microorganismelor indigene capabile să degradeze poluantul).

Bioremedierea constă în crearea și menținerea unui mediu ambiant favorabil pentru microorganisme, unele indigene altele neindigene, pentru a folosi contaminanții din sol ca sursă de carbon. Cei mai importanți factori ce influențează procesul de biodegradare sunt:

-cantitatea și calitatea contaminantului;

7

-caracteristicile solului poluat(pH, umiditate, textură, structură, conținut în elemente nutritive, aerare, temperatură, activitate biologică, netc);

-capacitatea de biodegradare a microflorei indigene;

-prezența unor nutrienți esențiali pentru creșterea microorganismelor și în special raportul dintre P și N;

- tipul de microorganisme prezente în mediul poluat;

- adăugarea unor surfactanți, transportori, etc. Bioremedierea solurilor contaminate cu petrol este o tehnică eficientă, sigură,

economic fezabilă, prietenoasă mediului, o alternativă versatilă, ori complementară a

tratamentelor fizico-chimice deși bioaccesibilitatea compușilor organici hidrofobi

pentru microorganisme poate fi un factor limitativ în timpul proceselor de

biodegradare.

Bioremedierea poate fi organizată pe loc, reziduurile sunt eliminate permanent, este

foarte eficientă economic, nedestructivă sau cu un minim de destrucție, relativ

necomplicată în implementare, cere echipamente nespecializate, sunt eliminate

riscurile asociate răspunderii pe termen lung legate de rămășițe ale contaminării pe

loc, se elimină costurile de transport și răspunderea pentru îndepărtarea resturilor,

poate fi cuplată cu alte tehnici de tratare și poate fi extrem de eficientă în

îndepărtarea hidrocarburilor petroliere recalcitrante. Tehnicile de bioremediere sunt

folosite pentru tratarea solurilor contaminate, apelor contaminate, nămolurilor și

materialelor acvifere. Alegerea celor mai pretabile procese pentru un loc specific

depinde de mediul fizico-chimic, rezultatele finale dorite și condițiile economice.

Dezavantajele bioremedierii includ următoarele: criteriile de proiectare pentru o

remediere cu eficiență ridicată sunt specifice locului și poate necesita un monitoring

extins, unele substanțe chimice nu pot fi bioremediate, toxicitatea contaminanților,

intensitatea științifică, producerea potențială de subproduse necunoscute și

percepția ca o tehnologie cu neprevăzute.

Pentru ameliorarea solurilor slab-moderat poluate cu petrol sunt necesare

următoarele lucrări ameliorative:

o îndepărtarea excesului de petrol;

o amendare, scarificare, arătură adâncă, fertilizare ameliorativă organică, fertilizare minerală cu NPK (biostimulare), cu creșterea ponderii azotului pentru reducerea raportului C:N,

o tratamente cu microorganisme selecționate (bioaugumentare);

o pregătirea patului germinativ și însămânțarea de plante cu semințe mari (porumb, mazăre, etc.).

8

1. METODE DE STIMULARE A BIOREMEDIERII

Biostimularea este o metodă de stimulare a activității populațiilor indigene de

microorganisme în vederea remedierii solului contaminat.

Termenul de ”bioremediere intensificată” cuprinde un număr mare de tehnologii ce

diferă cu privire la inputurile lor. Aceste tehnologii pot implica adăugarea de acceptori

de electroni ori donori de electroni pentru a stimula dezvoltarea naturală a

populațiilor microbiene (biostimulare) ori pot introduce microorganisme specifice

pentru îmbunătățirea biodegradării compușilor țintă (bioaugumentare). Eficiența

biodegradării hidrocarburilor petroliere în soluri este limitată de numeroși factori (de

ex. tipurile de microorganisme, nutrienți, oxigen și concentrația contaminantului).

Deci, ratele de degradare a poluantului pot fi îmbunătățite prin adăugarea de

nutrienți, oxigen și substraturi primare în sistemele contaminate. Acestea pot crește

populațiile de microorganisme indigene și îmbunătăți deci eficiența biodegradării

poluantului (Tsai și colab., 2009, EPA-US, 2001).

Dintre metodele de stimulare a bioremedierii fac parte: utilizarea inoculului de

microorganisme, utilizarea îngrășămintelor, aplicarea absorbanților, amendarea,

lucrările solului, utilizarea plantelor, stimularea cu agenți tensioactivi.

Tsai și colab. (2009) au organizat experiențe în reactor unde au urmărit eficiența

adăugării de: 1) nutrienți, apă oxigenată și melasă de la trestia de zahăr; 2) spălării

solului cu un surfactant biodegradabil (Simple green SG); și 3) pretratarea solului

prin oxidarea de tip Felton pentru bioremedierea solurilor contaminate cu petrol.

Microorganismele native dominante în solurile contaminate cu petrol după fiecare

proces de tratare au fost determinate pe calea reacției lanțului de polimerază,

determinarea gradientului gelului electroforezei și analiza secvenței de nucleotide.

Rezultatele arată că aproximativ 32 și 56 % din hidrocarburile petroliere totale au fost

îndepărtate (concentrația inițială fusese de 5000 mg/kg) din reactor prin adăugare de

nutrienți și melasă de la trestia de zahăr (1000 mg/l), cu 9 % din TPH îndepărtat din

reactorul martor menținut în condiții fără tratament, după 120 de zile de incubație.

Adăugarea melasei de trestie de zahăr a produs creșterea populației de

microorganisme și deci îmbunătățirea ratei de degradare a TPH. Rezultatele arată

de asemenea că circa 61 % din TPH îndepărtate s-a observat în reactorul în care s-a

adăugat H2O2 (100 mg/l) și nutrienți, după 120 de zile de incubare. Aceasta indică că

adăugarea concentrațiilor reduse de H2O2 (100 mg/l) va produce desorbția TPH din

particulele de sol și creșterea oxigenului dizolvat și deci eficiența bioremedierii în

reactor (Tsai și colab. 2009).

9

2. ÎNDEPĂRTAREA EXCESULUI DE PETROL

Este necesar ca prima intervenție în cazul unei poluări accidentale cu hidrocarburi

să constea în îndepărtarea cât mai rapidă a hidrocarburilor de la suprafața solului

pentru a reduce adâncimea de pătrundere în sol. Se vor executa rigole de colectare

a poluantului și mici gropi de concentrare a acestuia pentru a putea fi colectat cu

ajutorul unor sisteme de sorbție într-o cisternă și a se transporta la o stație de

tratare.

3. APLICAREA ABSORBANȚILOR

Folosirea absorbanților are câteva obiective principale:

absorbția petrolului și reținerea lui la suprafața solului pentru a putea fi colectat și trimis la o stație de recuperare și tratare;

reținerea petrolului pentru împiedicarea pătrunderii în profilul de sol și îngreunarea în acest mod a procesului de remediere;

împiedicarea formării unei pelicule impermeabile la suprafața solului;

stimularea multiplicării microorganismelor implicate în bioremediere;

reglarea regimului aerohidric al solului;

sursă de elemente nutritive și apă.

Unii absorbanți sunt produși din turbă de Sphagnum, și au o capacitate de absorbție

de 10–14 ori greutatea lui. Un astfel de absorbant (Nature Sorb) absoarbe și

încapsulează, aproape instantaneu produsele petroliere în celulele vegetale ale

mușchiului de turbă deshidratat. În paralel începe și un proces biochimic de rupere a

legăturilor chimice ale hidrocarburilor de către enzimele produse de flora bacteriană

existentă în sol și apă. În prezența oxigenului, a unei temperaturi minime de 10-

120C, a umidității, procesul de biodegradare decurge normal. Elementele biogene ca

azot, fosfor, potasiu, stimulează acest proces.

Alți specialiști recomandă ca imediat după poluare să se aplice absorbanți sub formă

de covoare, bariere, rulouri, pernă, căptușeli, mănuși (de metasorb, sorbx, sorbs 2 )

care absorb preferențial petrolul și alte hidrocarburi dar care nu absorb lichide pe

bază de apă. După îmbibarea cu petrol aceste materiale absorbante sunt duse într-o

uzină de extragere și tratare a petrolului. În acest fel se reduce riscul de poluare mai

profundă a solului, ceea ce ar îngreuna remedierea.

Marinescu și colab. (2008) a testat folosirea absorbantului ECOSOL pentru stimularea biodegradării prin favorizarea dezvoltării bacteriilor și creșterea ratei biodegradabilității hidrocarburilor din petrol. ECOSOL-ul este compus din fibre

10

celulozice naturale în amestec cu nutrienți pentru activarea microorganismelor. ECOSOL-ul se obține din fibre vegetale, din deșeuri celulozice, toate tratate și aditivate. Sudiile au fost efectuate în casa de vegetație pe un cernoziom cambic poluat cu 5 și 10% țiței, inoculat și neinoculat cu bacterii selecționate și tratat cu diverse doze de ECOSOL. Bacteriile selecționate au fost: Pseudomonas, Mycobacterium, Arthrobacter globiformis și Bacilus megaterium.

Cele mai bune rezultate în procesul de bioremediere al solului poluat cu țiței s-au obținut în variantele ce au primit doza maximă de absorbant (30 t/ha în cazul poluării cu 10% țiței și 15 t/ha în cazul poluării cu 5% țiței) însoțită de aplicarea inoculului bacterian. Inoculul bacterian a condus la reducerea cu 5% a concentrației hidrocarburilor totale, astfel în varianta poluată cu 5% petrol scăderea a fost cu 12% în cazul tratării cu 7,5 t/ha ECOSOL iar în variantele tratate cu 7,5 t/ha ECOSOL plus inocul scăderea concentrației hidrocarburilor totale a fost de 17% după 90 de zile de la poluare. În cazul poluării cu 10% petrol, nivelul reziduului petrolier după 90 de zile a scăzut cu 20% în cazul tratării cu 15 t/ha ECOSOL și cu 25% în cazul tratării cu 15 t/ha ECOSOL plus inocul bacterian.

Cercetările efectuate de Pârvan (2012) în casa de vegetație pe un sol poluat cu 3% țiței în care au fost folosite ca materiale absorbante turba și Zeba în diferite doze, fertilizare de bază cu N200P200K200 și îngrășăminte lichide pe bază de substanțe humice extrase din lignit KH (fertilizant conținând humat de potasiu cu microelemente), AH-SH (humat de potasiu în matrice de tip NPK și magneziu, cu azotul sub formă amidică), AH-SG1 (fertilizant conținând humați de potasiu într-o matrice de tip NPK cu microelemente și 4% monozaharide, în care azotul este sub formă amidică) și AH-SG2 (fertilizant conținând humați de potasiu într-o matrice de tip NPK cu microelemente și 8% monozaharide, în care azotul este sub formă amidică) au condus la următoarele rezultate:

cele mai bune rezultate în procesul de bioremediere, pe fond fără absorbant, au fost obținute în variantele fertilizate cu AH-SH (humat de potasiu în matrice de tip NPK și magneziu, cu azotul sub formă amidică) unde valorile THP s-au redus cu 47% în decursul a 45 zile de la tratament;

procesul de bioremediere pe fondul utilizării turbei ca absorbant în doză de 16 t/ha s-a desfășurat cu intensitatea cea mai mare în variantele în care s-a aplicat îngrășăminte de tipul AH-SG2 (fertilizant conținând humați de potasiu într-o matrice de tip NPK cu microelemente și 8% monozaharide, în care azotul este sub formă amidică) și inocul bacterian, valorile THP reducându-se cu 50% după 45 zile de la tratament;

pe fond de utilizare a turbei ca absorbant, dintre fertilizanți cel mai bine s-a comportat AH-SG2;

pe fondul aplicării a 16 kg/ha absorbant Zeba cea mai eficientă variantă de bioremediere s-a demonstrat a fi cea în care s-a fertilizat cu AH-SG1 și s-a aplicat inocul bacterian, unde conținutul în THP s-a redus cu 57% după 45 zile de la tratament;

pe fondul aplicării Zeba în doză de 32 kg/ha cele mai bune rezultate în procesul de bioremediere se obțin prin aplicarea fertilizantului AH-SG2 în doză de

11

650 l/ha + 64 kg/ha glucoză, în care nivelul THP scade cu 58% după 45 zile de la aplicarea tratamentului și 60 zile de la poluarea cu petrol;

în condițiile neutilizării unui absorbant, cel mai mare număr de bacterii s-a determinat în variantele în care s-au aplicat îngrășăminte minerale în doză de N200P200K200 împreună cu inoculul bacterian.

Aplicarea inocului bacterian împreună cu îngrășământul AH-SG1 (fertilizant conținând humați de potasiu într-o matrice de tip NPK cu microelemente și 4% monozaharide, în care azotul este sub formă amidică) în procesul de bioremediere a condus la creșterea conținutului solului în potasiu mobil (Pârvan și colab., 2015).

Barbu (2009) recomandă aplicarea de polimer superabsorbant în cantitate de 1000 kg/ha pentru a absorbi resturile de petrol ce au rămas după colectarea pojghiței de petrol, a împiedica infiltrarea lui în profilul de sol și a le supune procesului de degradare.

Polimerii sunt combinații de tip catenar cu masa moleculară mare, ce respectă un

principiu comun de formare care constă în repetarea, de-a lungul lanțului

macromolecular, a unei grupări minime de atomi numită unitate structurală. Aceste

unități sunt identice sau similare în compoziție cu monomerii din care polimerii au

fost (sau ar fi putut fi) sintetizați. Numărul de unități structurale cuprinse într-un lanț

macromolecular reprezintă gradul de polimerizare al polimerului. Polimerii pot fi

solubili în apă sau insolubili în apă.

Polielectroliții sunt polimeri ale căror unități monomere posedă grupe ionizate sau

ionizabile. În soluție apoasă polielectroliții disociază în macroioni polivalenți (poliioni)

și un număr mare de ioni mici de semn opus- contraioni.

În funcție de natura grupelor ionizabile polielectroliții se pot clasifica în:

poliacizi sau polielectroliți anionici, care posedă ca grupă funcțională gruparea carboxilică –COOH, gruparea sulfonică –SO3H sau gruparea fosforică –PO3H;

polibaze sau polielectroliți cationici, care au ca grupă funcțională gruparea aminică –NH2, gruparea iminică >NH, gruparea cuaternară de amoniu –NH4 ș.a;

poliamfoliți sau polielectroliți amfoteri, care posedă pe lanțul macromolecular atât grupări acide (carboxilice, sulfonice, fosforice, etc.), cât și grupări bazice (aminice, amoniu, etc.).

Polielectroliții sunt utili ca agenți de condiționare a solurilor. Ameliorarea

caracteristicilor fizice, chimice și biologice ale solului creează condiții pentru

intensificarea proceselor de bioremediere.

Amendarea cu cărbune activ a condus la o reducere dramatică a concentrației PAH

în soluția aposă și bioaccesibilitatea poluanților pentru biota estuariană diversă cum

este molusca Macona balthica, gasteropodul Hinia reticulata și policheta Nereis

diversicolor. Obstacolele potențiale pentru aplicarea cu succes a acestei tehnici

includ murdărirea cărbunelui activ prin dizolvarea materiei organice în sedimente și

încetinirea transferului masei poluanților către cărbunele activ în condiții de câmp.

12

Biodegradarea și stabilizarea pot deveni procese competitive la adăugarea

materialului cărbunos reducând concentrațiile libere în soluție și reducând

accesibilitatea poluanților către microorganismele degradatoare. Dacă poluanții sunt

biodegradabili, adăugarea materialelor sorbente poate împiedica descompunerea

lor, dar dacă ele nu sunt rapid biodegradate, amendamentul sorbent poate fi o

metodă alternativă eficientă pentru reducerea riscului de mediu (Hale și colab.,

2010).

Bioremedierea și amendarea cu cărbune activ (AC) au fost comparate ca strategii de

remediere pentru sedimentele din râul Tyne conținând 16,4 ±7,3 µg/g PAH și

aproximativ 5 % particule de cărbune din totalul greutății sedimentului. Neamendat,

amendat cu nutrienți (biostimulat) și amendat cu nutrienți și Pseudomonas putida

(bioaugumentare) în interiorul sedimentelor au ratat să arate o descreștere

semnificativă în concentrațiile totale de PAH în sediment după o perioadă de o lună.

Probele de polietilenă pasivă au fost încorporate pentru 21 zile în acest sediment în

scopul măsurării porției accesibile de PAH și acumulării polietilenei pasive

4,70±0,25, 12,43±1,78 și 23,49±2,73 µg PAHs/g PE din materialul neamendat,

biostimulat și biougumentat. Preluarea mai mare a PAH de către probele cu

polietilenă activată în condiții de biostimulare și bioaugumentare coincide cu

încetinirea degradării fenantrenului țintă în filtratul de sediment liber din aceste

experiențe comparativ cu filtratul din varianta neamendată. Analiza comunității

microbiene a relevat schimbări în comunitatea bacteriană urmate direct după

adăugarea nutrienților, dar adăugarea comunității de P. putida a eșuat să se

stabilească singură. Adăugarea a 2% carbon activ la greutatea sedimentului uscat

reduce preluarea PAH de probele de PE (polietilenă pasivă) la 0,28 ±0,01 µgPAH/g

PE, mai mult de 90 % reducere comparativ cu varianta neamendată (Hale și colab.,

2010).

4. AMENDAREA

Pentru desfășurarea normală a proceselor fiico-chimice implicate în degradarea

petrolului și stimularea activității microorganismelor, în special a bacteriilor, se

recomandă ca pe solurile acide și pe cale bazice să se aplice amendamentele

corespunzătoare.

Pentru ameliorarea reacției solurilor acide se recomandă aplicarea de amendamente

pe bază de caalcar, doza stabilindu-se după formula:

DAC, t/ha = SBi( – 1). 1,5

DAC – doza de amendamente calcaroase; SBi –suma bazelor de schimb inițială; Vi –

gradul de saturație în baze calculat cu aciditatea hidrolitică; PNA – puterea de

neutralizare a amendamentului în CaCO3.

13

Această formulă este folosită la elaborarea recomandărilor agrochimice și urmărește

aducerea valorilor pH în domeniul 6,5 – 7,3, optim pentru creșterea plantelor și

pentru desfășurarea normală a proceselor fizico-chimice implicate în degradarea

petrolului și activității microorganismelor în special al bacteriilor.

În cazul solurilor saline și alcalice doza de amendament se calculează ținând seama

de conținutul solului în Na schimbabil, de alcalinitatea dată de carbonații de Na, de

capacitatea de schimb de cationi și de valoarea de acidifiere a amendamentului.

Sodiul din complex se îndepărtează până la realizarea unui raport echilibrat Na/Ca

potrivit nevoii plantelor cultivate. Acest raport corespunde momentului când solul

conține numai 5 % Na schimbabil din T. Practic, s-a demonstrat că se obține o

ameliorare satisfăcătoare și atunci când solul conține până la 10-12 % Na schimbabil

din T. Doza de amendament se exprimă în CaSO4·2H2O (gips).

Pentru calcul se pot utiliza următoarele relații:

a) Doza de CaSO4·2H2O t/ha = 0,086 (b - T +d)H·Gv

În care: b - conținutul solului în Na schimbabil (me/100 g sol); T – capacitatea de schimb cationic a solului (me/100 g sol); c – procentul de Na schimbabil ce poate rămâne în sol (5 – 12 %); d – alcalinitatea datorată carbonatului și bicarbonatului de Na (me/100 g sol); H – adâncimea stratului arat ce se ameliorează (cm); Gv – greutatea volumetrică a solului (t/m3) având valorile: 1,3 -1,7 la solurile aluviale; 1,3 – 1,5 la solurile nisipoase; 1,5 – 1,75 la solurile grele; 1,55 – 1,65 la lăcoviști; 0,086 – coeficient de transformare a miliechivalenților de Na schimbabil în g CaSO4·2H2O

b) Doza de CaSO4·2H2O t/ha = a(b-T +d); în care:

”a” este valoarea de acidifiere a amendamentului, a cărei mărime variază astfel: 1,00 pentru ghips; 1,25 pentru fosfogips; 0,38 în cazul acidului sulfuric concentrat; 0,18 la sulful elementar; 0,58 la CaCO3. În această formulă doza de amendament se calculează pentru un strat de sol gros de 10 cm. Dacă se ameliorează un strat de sol mai gros, doza se completează cu aceea care revine acestui strat (Davidescu și colab., 1981).

5. LUCRĂRILE SOLULUI

Omogenizarea profilului de sol este o lucrare ce urmărește crearea unor condiții

optime sub raportul relațiilor sol-apă și circulației apei. Aceasta se face prin arături

succesive, la diferite adâncimi, realizându-se amestecarea cât mai intensă a

orizonturilor de sol, diminuarea și combaterea influențelor negative ale poluanților pe

profil. Se realizează totodată și o diluție pe orizontală a poluantului și asigurarea unor

14

condiții aerobe în zona poluată pentru a stimula procesul de bioremediere (Barbu,

2009).

Creangă și colab. (2005) recomandă scarificarea solurilor puternic tasate, cu porozitate de aerare scăzută, în vederea îmbunătățirii condițiilor aerohidrice din sol. Scarificarea se va efectua la adâncimea de 60 cm, iar distanța dintre organele active va fi de 1m. Momentul optim pentru executare este când solul are umiditatea de 60-80% din intervalul umidității active. Lucrarea se execută perpendicular pe canalul de desecare sau emisarul natural. Pe anumite soluri poluate și cu apă sărată se recomandă și executarea drenajului cârtiță.

Fertilizarea și lucrările solului au crescut pierderile de motorină din sol cu 55% comparativ cu nivelul inițial (sol poluat cu 5% petrol pe o adâncime de 15 cm) față de 24% în martorul nefertilizat și nelucrat. Accesibilitatea acceptorilor terminali de electroni pretabili (de ex. oxigen, nitrați, fier, mangan, sulfați) mai mult decât nutrienții singuri, vor fi un factor care determină extinderea biodegradării. Lucrările solului au asigurat oxigen iar fertilizarea cu azot a oferit nitrați. Fertilizarea, lucrările și bioaugumentarea au crescut procentul biodegradării până la 89% și înregistrat o creștere de 34% comparativ cu bioremedierea numai cu fertilizanți și lucrări și cu 58% față de martorul netratat (Hawrot și Nowak, 2006).

6. STIMULARE CU AGENȚI TENSIOACTIVI

Surfactanții, agenți activi de suprafață, sunt produse chimice organice sintetice având o porțiune polară (hidrofilă) și una nepolară (hidrofobă). Ei sunt de obicei clasificați ca anionici, cationici, amfoteri și non-ionici (Ivanovic și Hrenovic, 2010). Surfactanții sunt folosiți în formularea detergenților sintetici, de curățire personală și a locuințelor, ca dispersanți și emulsionanți, ca și pentru diferite folosințe industriale, ca și ingredient ori aditivi cu potențial multiscop în alimente (Kralova și Sjoblom, 2009), minerit, petrol și textile (Hyberg, 1988, Sandbacka și colab., 2000). Unii surfactanți non-ionici, com sunt alcoletoxilat și alchilamino etoxilat, sunt folosiți ca adjuvanți ai pesticidelor (Krogh și colab., 2003). Creșterea utilizării acestor compuși conduce la creșterea împrăștierii în mediu. Din acest motiv ei sunt văzuți ca o sursă de poluare și controlați cu grijă (Pane și colab., 2015).

Folosirea surfactanților pentru a îmbunătăți restaurarea solurilor înalt poluate este un pas premergător al tehnologiilor de remediere cu eficiență ridicată. Surfactantul îmbunătățește spălarea solului, proces ce generează efluenți cu toxicitate ridicată, de obicei, incluzând produse chimice potențial periculoase extrase din locurile contaminate. În special, unde sunt prezenți surfactanții se aplică procese ca: bioremedierea, iradierea ultrasonică, oxidarea avansată, carbonul activat și reactorul cu membrană biologică (Torres și colab., 2009).

Există două tipuri de surfactanți: sintetici și biosurfactanți.

Aplicarea surfactanților sau a agenților de emulsionare poate determina o scădere a tensiunii interfazice și o creștere a solubilității hidrocarburilor (Vardor –Suhan și Kosaric, 2000). Sorbția surfactanților de către particulele de sol depinde de tipul surfactantului, proprietățile solului, cantitatea și structura argilei în sol. Biosurfactanții (surfactanții cu proprietăți de creștere a activității microbiene) prezintă caracteristici

15

superioare surfactanților sintetici precum: absența toxicității, biodegradabilitate și eficacitate la valori extreme ale temperaturii, pH și salinitate (Fiechter, 1992, Rosenberg, 1993, Mulligan și colab., 2001). În plus, biosurfactanții pot fi produși din materiale brute ieftine și au eficiență în condiții extreme de temperatură, pH și salinitate (Kosaric, 2000).

Adăugarea de surfactanți îmbunătățește eficiența proceselor din bioreactoarele cu nămol prin creșterea ratei transferului de masă a contaminanților în faza apoasă, crescând astfel contactul contaminanților cu populația microbiană din sol și îmbunătățind biodegradarea lor. Sunt totuși și cazuri când aplicarea biosurfactanților nu este eficientă deoarece cultura de microorganisme produce suficienți biosurfactanți (Yerushalmi și colab., 2003).

Cercetările efectuate de Marinescu și colab. (2017) au arătat că după 14 zile de la poluarea solului cu 5% țiței, valorile TPH din variantele ameliorate încep să scadă comparativ cu varianta poluantă netratată, unde decontaminarea în sol s-a realizat prin procesele de atenuare naturală. După 21 de zile, începe să fie evident faptul că în varianta în care solul a fost condiționat cu doza superioară de Ecosol, respectiv 0,5 % (100 g/vas) și inoculată cu bacterii selecționate, viteza dispariției poluantului din sol a fost mult mai mare, comparativ cu celelalte variante experimentale, rezultatele având un grad ridicat de asigurare statistică. În cazul variantelor în care solul a fost poluat cu 10 % țiței, s-a constatat un ritm relativ încetinit al degradării țițeiului în intervalul cuprins între 30-300 zile. Semnificația acestei lungi perioade de încetinire a proceselor de biodegradare a hidrocarburilor petroliere, în cazul solului poluat excesiv cu țiței poate consta în dificultatea adaptării microorganismelor biodegradatoare, atât a celor proprii solului, cât și a celor introduse prin adăugarea inocului bacterian, la poluarea excesivă.

Relativ puține lucrări legate de tratamentul simultan al hidrocarburilor și surfactanților includ apele uzate de spălare a solului. Legat de toate aceste abordări tehnologice, procesele de floculare-coagulare sunt metode pretabile pentru tratarea apelor uzate generate în câmp, on site (pe loc), fără a cere echipamente scumpe și într-un spațiu redus, cu eficiență ridicată cu un preț foarte mic. Flocularea, coagularea a fost utilizată pentru tratarea apelor uzate municipale și industriale, cu încărcătură medie și ridicată de material organic. Cantitatea de ape uzate generate în proces poate fi foarte variabilă, dar o proporție de 3-5 litri de apă pe kg sol spălat este produsă. Aceasta este desigur dependentă de mulți factori cum sunt concentrația de hidrocarburi petroliere inițiale, tipul și cantitatea de surfactanți folosită, taxtura solului, energia furnizată pentru sistemul de spălare, etc. La sfârșitul procesului de spălare, apele uzate generate trebuie depuse într-un sistem de drenaj, ori eliberate în cursurile de apă naturale, deci este obligatoriu de tratat fluxul contaminat până la nivelele impuse de cadrul legislativ (Torres și colab., 2009).

Aplicarea surfactanților în solurile contaminate poate potențial reduce tensiunea interfacială, crește solubilitatea și bioaccesibilitatea hidrocarburilor petroliere și deci facilitează biodegradarea lor. Adăugarea de surfactanți sintetici în mediul contaminat cu hidrocarburi petroliere a fost studiată ca un mod prin care efectele lor inhibitoare a biodegradării au fost recunoscute, în special la concentrațiile situate deasupra valorilor concentrațiilor critice micelare. Avantajul potențial al surfactanților biodegradabili includ diversitatea lor structurală neobișnuită, care poate conduce la proprietăți unice, producție eficientă economic și biodegradabilitatea lor (Tsai și colab., 2009).

16

7. UTILIZAREA PLANTELOR

Tang și colab. (2010) au studiat efectul combinat al creșterii plantelor și diferitelor tulpini microbiene asupra îmbunătățirii bioremedierii solului contaminat cu hidrocarburi petroliere. S-a plantat raygras (Lolium perenne) și s-au folosit tulpini microbiene de atât ca agenți simpli cât și în amestec. Rezultatele arată că prin combinarea raigrasului cu amestecul de tulpini Bacillus subtilis , Sphingobacterium multivolume, Acinetobacter radioresystems, Rhodococcus erythropolis și Pseudomonas fluorescens microbiene a dat cele mai bune rezultate cu o rată de degradare de 58 % după 162 zile. Analiza fracționată a compușilor petrolieri oferă indicații că degradarea hidrocarburilor saturate apare ca fiind mai intensă la combinarea dintre microrganisme și raigras; degradarea fracțiilor polare se desfășoară mai intens prin fitoremediere iar fracțiile aromatice au fost degradate mai intens prin remediere microbiologică. Activitatea mai ridicată a polifenol oxidazelor se petrece în toate tratamentele aplicate (comparativ cu martorul), dar activitatea mai redusă a dehidrogenazei a fost găsită în procesele de remediere microbiologică.

Numărul de microorganisme degradatoare a fost mai mare în rizosfera lucernei (Medicago sativa L.) și firușca șopârlelor (Poa alpina L), decât în masa solului unde creșteau în solul amendat cu contaminanți organici. Numărul de microorganisme degradatoare de piren a fost semnificativ mai mare în rizosfera pirului gros (Cynodon dactilon cv. Guymon) comparativ cu masa solului. Numărul de microorganisme degradatoare de hidrocarburi totale a fost mai mic în solul fără vegetație comparativ cu solurile cu vegetație (Kirkpatrick și colab. 2008).

Parrish și colab.(2005) au raportat că numărul de microorganisme degradatoare de PAH per gramul de sol uscat a fost de 100 de ori mai mare în tratamentul cu vegetație decât în tratamentul fără vegetație.

Numărul de microorganisme care degradează hidrocarburile, alcanii și PAH pe gramul de sol au fost semnificativ mai mari în rizosfera ierbii de Sudan (Sorgum sudanenese (Piper) Stuph) comparativ cu solul din afara rizosferei în cele peste 6 doze de N utilizate. Iarba de Sudan a crescut timp de 7 săptămâni în solul cu un nivel al TPH de 16,6 g TPH/kg sol. Azotul a fost adăugat pe baza rapoartelor TPH-C:N total adăugat (TPH-C:TN) variind între 44:1 și 11:1. Prezența ierbii de Sudan a condus la semnificativ mai multe microorganisme degradatoare de hidrocarburi totale și alcani per vas când au crescut în solul amendat cu un raport de 11:1 (azot anorganic) TPH-C:TN comparativ cu rapoarte mai mari TPH-C:TN (carbon din hidrocarburi petroliere totale:azot din azot total adăugat). Numărul de microorganisme degradatoare PAH per vas a fost mai mare în solul amendat la raportul TPH-C:TN de 11:1 comparativ cu tapoartele mai mari de 33:1. Solul din afara rizosferei din vasele de vegetație cu iarbă de Sudan nu a conținut un număr de microorganisme degradatoare ale contaminanților diferit semnificativ pe gramul de sol decât în vasul fără plante. Creșterea dozelor de N a stimulat creșterea rădăcinilor de iarbă de Sudan (Sorgum sudanense (Piper)Steph) ceea ce a condus la creșterea potențialului de degradare în solul contaminat datorită influenței rizosferei. Rezultatele demonstrează importanța rizosferei în creșterea potențialului biodegradării contaminantului. Pentru o fitoremediere eficientă, dozele în plus de azot vor fi suficiente pentru a optimiza creșterea plantelor și maximiza numărul și

17

activitatea microorganismelor degradatoare a contaminanților (Kirkpatrick și colab.2008).

Krutz și colab.(2005) au arătat că un număr mai mare de microorganisme ce degradează pirenul a fost asociat cu o biodegradare mai rapidă a pirenului în sol.

O corelație pozitivă între reducerea TPH și n-hexadecan și numărul de microorganisme degradatoare a fost raportată de Philips și colab. (2006).

8. UTILIZAREA INOCULULUI DE MICROORGANISME

Experiențele de inoculare cu microorganisme specifice urmăresc intensificarea anumitor procese biologice din sol, fiind demonstrat că îmbogățirea solului poluat cu țiței cu aceste microorganisme selecționate intensifică declanșarea și desfășurarea biodegradării. Din această cauză s-au elaborat tehnologii de bioremediere care presupun: cunoașterea căilor de optimizare a condițiilor biodegradării, comportării și efectelor substanțelor chimice introduse în sol asupra ecosistemului și selecția unor microorganisme cu abilități degradative superioare ( Bluestone, 1986, Zitridis, 1990). Microorganismele care sunt capabile să degradeze substanțele xenobiotice sunt prezente, în general, în mediile poluate, dar biodegradarea naturală are loc cu rate foarte scăzute. Aplicarea biopreparatelor bacteriene este veriga tehnologică principală în procesul bioremedierii solurilor poluate cu compuși biodegradabili, așa cum este cazul hidrocarburilor din țiței (Toti și colab., 2003).

Tratarea solului brun luvic vertic pseudogleizat poluat cu 10% țiței, cu un inocul de tulpini bacteriene din genurile Bacillus, Arthrobacter, Pseudomonas, Mycobacterium, Micrococcus, Escherichia și Streptomyces, selecționate din soluri poluate cu țiței, a condus la următoarele concluzii:

- a crescut foarte semnificativ numărul total de bacterii și microfungi în variantele tratate cu inocul comparativ cu matorul netratat;

- în perioada secetoasă a verii, de obicei lunile iulie și august, se reduce numărul de bacterii, deci și activitatea de biodegradare, ceea ce impune aplicarea irigației;

- a crescut semnificativ diversitatea taxonomică a speciilor de microorganisme în variantele tratate cu inocul, mai ales în anii 2 și 3 după poluare;

- în ultimul an experimental s-a înregistrat o diferențiere netă în ceea ce privește numărul de bacterii din variantele inoculate față de cele neinoculate (14,4-33,3 . 106/g sol uscat față de 5,3-9.106/g sol uscat);

- după trei ani de la tratament nivelul de poluare a devenit nesemnificativ (Toti și colab, 2003).

Numeroase microorganisme heterotrofe din sol, atât bacterii cât și fungi, sunt capabile să utilizeze hidrocarburile din țiței ca sursă de energie pentru creștere și dezvoltare celulară (Atlas, 1984, Bosset și Bartha, 1984, Dinnen și colab., 1989, Atlas și Pramer, 1990, Pritchard, 1982).

A fost testată capacitatea microorganismelor, îndeosebi a speciilor bacteriene din genurile Bacillus, Pseudomonas și Acinetobacter, pe un sol contaminat cu țiței din

18

India, și s-a constatat că cea mai eficientă în decontaminare a fost o specie din genul Bacillus, atingând o rată a biodegradabilității de 59 %, urată de specii din genurile Acinetobacter 37 % și Pseudomonas 35 % (Verma și colab., 2006). Au fost înregistrate mari progrese în ceea ce privește biodegradarea solurilor poluate cu țiței și descreșterea nivelului toxicității acestora, până la capabilitatea de a susține creșterea plantelor (Bossert și Bartha, 1985, Wang și colab., 1990). În toate cazurile, biodegradarea este performantă numai în limitele anumitor concentrații de poluanți. Dacă se depășește o anumită limită a concentrației de poluanți în mediu microorganismele pot rămâne la periferia zonei contaminate sau pot fi distruse ca urmare a toxicității ridicate a poluantului (Vintilescu, 1994).

Culturile microbiene trebuie să aibă capacitatea de a se adapta condițiilor de mediu și să supraviețuiască în prezența altor microorganisme (Riser-Roberts, 1998).

D’Annibale și colab. (2006) apreciau că majoritatea studiilor ce au la bază inocularea cu microorganisme selecționate se realizează prin inocularea fungilor filamentoși în solul poluat, aceștia având capacitatea de a biodegrada hidrocarburi aromatice polinucleare cu până la 4 nuclee.

Tehnologia de inoculare cu microorganisme selecționate se folosește în special pentru degradarea compușilor puri (Gray și colab., 2000).

Diverse studii au cercetat folosirea unei bacterii exogenă ori a unor grupe de bacterii. Această metodă se numește bioaugumentare și implică selectarea unor tulpini microbiene pentru abilitatea lor de a degrada contaminanții și a le adăuga într-un anumit loc. Această metodă a avut un succes limitat, dar este posibil ca motivele din spatele tehnicii să nu fi corespuns și este chiar posibil ca să nu fie o tehnică viabilă. Dott și colab. (1989) au examinat 9 tulpini microbiene înalt adaptate, accesibile comercial. Rezultatele lor au indicat că produsele comerciale nu se adaptează rapid la mediul în care ele au fost expuse. De aceea, eficiența tulpinilor microbiene adaptate fost sever limitată. De fapt, concluzia a arătat că bacteriile indigene posedă potențial suficient pentru degradare dacă li se oferă condițiile și nutrienții corespunzători. Venoso și colab. (1992) au testat 8 culturi de bacterii comerciale pe petrolul adus a zi în Alasca Nord în reactoare de laborator închise. Ei au ajuns concluzia că populațiile de bacterii indigene deja prezente în țiței au fost primele responsabile pentru biodegradare (Livingston și Islam, 1999).

Verstraete şi colab (1997) au aplicat BIOSOL pe două parcele de teren poluate cu hidrocarburi petroliere şi au constatat o creştere a gradului de decontaminare de la 53 % la 76% comparativ cu metoda ‘’land farming’’ (cultivarea pământului). Adăugarea de BIOSOL conduce la stimularea activităţii microbiene, pusă în evidenţă atât prin creşterea respiraţiei cât şi a numărului de bacterii. După 6 luni de tratare cu BIOSOL s-a constatat scăderea valorii hidrocarburilor aromatice de la 37 mg/l la 2 mg/l.

Cercetările efectuate în casa de vegetație de Pârvan (2012) au arătat că prin aplicarea unui inocul bacterian constituit din trei tulpini aparținând genului Pseudomonas și 2 tulpini aparținând genului Arthrobacter s-a redus semnificativ conținutul de THP din sol, nivelul acestora scăzând de la 3% la 1,99% (33%) în numai 26 zile.

Barbu (2009) aprecia aplicarea biopreparatelor bacteriene ca fiind veriga tehnologică principală în bioremedierea solului de tip cernoziom poluat cu hidrocarburi. În vederea eficientizării acțiunii acestei verigi, biopreparatele au fost realizate folosind

19

atât tulpini bacteriene izolate din solul poluat supus decontaminării, cât și tulpini din colecția ICPA alcătuită din specii bacteriene izolate din diverse situri poluate cu țiței, supuse presiunii de selecție și testate în laborator pentru capacitatea de biodegradate a hidrocarburilor din țiței.

Policultura bacteriană a conținut în principal reprezentanți aparținând genurilor: Pseudomonas sp., Escherichia, Micrococcus, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, Arthrobacter sp., și Streptomyces. Inoculul a fost utilizat pentru stimularea procesului de biodegradare prin compostare și prin aplicare pe terenul agricol poluat cu petrol după înlăturarea pojghiței de petrol. După 7 luni, rata dispariției poluantului a fost de 17,3% în cazul martorului netratat, de 36,5% în cazul tratamentelor cu biopreparate bacteriene și cu 42,3% în cazul aplicării biopreparatelor microbiene împreună cu N200P100K100. În variantele tratate cu inocul bacterian, îngrășăminte minerale cu NPK și polimeri superabsorbanți rata de dispariție a poluantului a fost de 71,2%.

Contaminarea cu petrol proaspăt a redus numărul de actinomicete, ciuperci şi microorganisme care descompun celuloza şi a crescut numărul bacteriilor ce se izolează pe peptonă şi amidon. Între cantitatea de hidrocarburi şi bacterii în orizonturile genetice ale solului există o strînsă relaţie de regresie (Seklemenova şi Dimitrov,1977).

Este deseori cazul că bioaugumentarea (inocul cu microorganisme) solurilor contaminate este aplicată în timpul strategiilor de bioremediere în încercarea de îmbunătățire atât a ratei de degradare a contaminanților cât și a concentrațiilor finale (Vogel, 1996). Atât adaosul de tulpini singure cât și a consorțiului de microorganisme în solurile contaminate produc de obicei valori adăugate reduse în termenii abilității degradative față microorganismele indigene solului (Catallo și Portier, 1992, Allan și colab., 2007), care sunt deseori numai limitări în capacitățile degradative ale contaminantului datorită stării suboptime a solului. Promovarea microorganismelor indigene este deci prima țintă și va conduce la optimizarea și îmbunătățirea atât a condițiilor biotice cât și a celor abiotice; ceea ce râmele pot îmbunătăți (Hickman și Reid, 2008).

În tabelul 1 sunt prezentate limitările bioremedierii aerobe și efectele principale ale râmelor care minimizează aceste limitări.

Tabelul 1. Limitările bioremedierii aerobe și efectele principale ale râmelor care minimizează aceste limitări (după Hickman și Reid, 2008).

Limitările bioremedierii Crearea

canalelor

de

deplasare

și adăpost

Ingestie,

digestie și

excreție.

Coprolite

Lipsa oxigenului, condiții anaerobe X

Heterogenitatea solului X X

Sol compactat X X

Raport C:N necorespunzător X X

20

Insuficiența nutrienților accesibili X X

Accesibilitate redusă a reziduurilor legate X

Prezența, numărul și activitatea microorganismelor degradatoare.

X X X

Concentrația contaminantului prea mică pentru a induce abilitate catabolică

Nivele toxice ale contaminanților, ori prezența co-contaminanților ce restricționează inducția abilității catabolice.

Temperatura

pH X

Condiții necorespunzătoare de umiditate X

În cazul în care solul este poluat atât cu reziduuri de petrol cât şi cu apă sărată, măsurile de bioremediere se îmbină cu măsuri corespunzătoare de desalinizare, respectiv amenajări pentru spălarea sărurilor pe profilul de sol şi captarea apelor de spălare într-un sistem de drenaj pentru a putea fi epurate înainte de deversarea în emisar.

Condițiile optime de mediu necesare degradării petrolului sunt: pH-ul solului 6,5 – 8,0, umiditatea 30 – 90%, conținutul de oxigen 10 – 40%, temperatura 20 – 30 0C și raportul între nutrienți C:N:P = 100:10:1(Bijai et al., 2012).

Solurile tratate cu Acinetobacter sp. A-3 au permis o mai bună germinare și creștere a plantulelor de fasole, a evidențiat o mai bună lungime a plantelor, greutate și conținut de clorofilă în frunze. Aceasta arată că Acinetobacter sp. A-3 a fost capabilă de reducerea fitotoxicității petrolului prin biodegradare (Baek și colab., 2004).

Livingston și Islam (1999) au arătat că numeroși cercetători au pus mineralizarea completă a produselor petroliere pe seama unui consorțiu de microorganisme mai mult decât a unei tulpini. A presupune că numai o tulpină de bacterie este responsabilă pentru descompunere ar însemna să ignori relațiile biochimice care sunt bine stabilite în microbiologie. Lucrările de laborator ale lui Schmidt și Gier (1990) și Sylvestre și colab. (1985) au arătat cooperarea dintre două tulpini ce au fost capabile să degradeze poluanții. Alți cercetători au găsit că un amestec de culturi de bacterii sunt responsabile pentru procesele de descompunere. Fogel și colab. (1982) au concluzionat că un consorțiu de bacterii este responsabil de degradarea poluanților. Degradarea completă a unor contaminanți este datorată comunităților microbiene aerobe și anaerobe. În parte, aceasta se datorează faptului că solul și apa freatică sunt contaminate cu un amestec de compuși mai des decât cu substanțe pure.

Das și Mukherjee (2007) au studiat comparativ eficiența tulpinilor de Bacillus subtilis DM4 și Pseudomonas aeruginosa M și NM izolate din probe de sol contaminate cu petrol din Nord-Estul Indiei pentru bioremedierea hidrocarburilor din petrolul proaspăt în sol și flacoanele de agitare. Aceste tulpini bacteriene pot utiliza hidrocarburile din petrolul proaspăt ca unică sursă de carbon și energie. Bioaugumentarea pilotului contaminat cu TPH cu P. aeruginosa M. și NM în consorțiu cu tulpini de B. subtilis au redus semnificativ nivelele TPH din solul tratat comparativ cu solul martor netratat la

21

sfârșitul celor 120 zile de experiență. Tulpinile de P. aeruginosa au fost mai eficiente decât tulpinile. de B subtilis în reducerea conținutului TPH din mediu. Tulpinile de B. subtilis DM-04 și P. aeruginosa M șiNM pot fi eficiente în bioremedierea in situ.

Culturile mixte microbiene au degradat țițeiul din Louisiana atât în flacoane închise cât și în bazine mari cu apă de mare. În studiile de simulare în câmp, aplicarea unei culturi mixte microbiene asupra unei pelicule de petrol a produs o descreștere măsurabilă a grosimii și cantității peliculei de pe suprafața apei. Rata inițială de îndepărtare a petrolului de către microorganisme a fost de cel puțin două ori mai mare decât rata de evaporare. Ratele cele mai mari de îndepărtare a petrolului au apărut în timpul perioadei inițiale de creștere. Aceasta a fost atribuită utilizării n-parafinelor mai mici decât C15. Numărul de celule a indicat că celulele semănate rămân preferențial la interfața petrol – apă în timpul întregii perioade experimentale. Studiile în flacoane închise au arătat o preferiță metabolică clară a utilizării hidrocarburilor de către culturile microbiene pentru parafinele saturate. Ratele de oxidare a parafinelor saturate au fost direct dependente de temperatura de incubare. Cele mai mari rate de oxidare a parafinelor saturate au apărut în timpul perioadelor inițiale de creștere când n-parafinele mai mici decât C18 au fost folosite. Domeniul de utilizare a n-parafinelor a fost între C12 și C30. Compușii aromatici și naftenici nu apar a fi metabolizate (Kator și colab., 1971).

În cadrul bioremedierii este deseori necesar să îmbunătățim și să menținem nivelele umidității, oxigenului și nutrienților, și să asigurăm în timp distribuția omogenă a acestora, în special dacă este necesar ca bioremedierea să fie aplicată în profunzimea solului, dacă solul este compactat, ori bogat în argilă. Cu toate că sunt consumatoare de timp, muncă intensă și metode scumpe pot fi utilizate pentru a ajuta la optimizarea acestor variabile, pot exista imputuri ieftine pentru a rezolva această problemă. Râmele se mișcă prin sol, unde își fac adăposturi (adăposturile fiind specifice speciilor) acționând ca puncte de intrare a, și căi preferențiale pentru, mișcarea apei și particulelor (Shipitalo și Le Beyon, 2004, Kretzshmar, 2004, Dominguez, 2004) și fluxul nutrienților și aerației (Dominguez, 2004). În plus apariția coprolitelor și deci a solului ingerat și digerat de râme conduce la un efect pozitiv asupra mediului ambiant al solului, ca fragmentarea mecanică a particulelor solului (Eduards și Bohlen, 1996, Bohlen și colab., 2004, Kersante și colab., 2006). McKenzie și Dexter (2004) și Shipitolo și Le Bayon(2004) discută forțele aplicate asupra particulelor de sol în timp ce traversează intestinul râmelor și le remodelează și reorganizează. De ex. Ziegller și Zech (1992) au notat că râmele (Eisenia fetida) au redus prin digestie particulele de materie organică mai mari de 2000 µm cu valori între 97 și 27% (200-2000 µm), în timp ce Martin (1991) a observat că râmele (Millsinia anomala) au fracționat materia organică din sol determinând o reducere a mărimii cu 25-30 %. Astfel de cercetări subliniază rolul major al râmelor în fragmentarea litierei solului în agregate cu mărimi mai mici (Martin, 1991, Barois și colab., 1993, Bolan și Baskaron, 1996, Kretzshmar, 2004). S-a lansat ipoteza că există potențial pentru râme să contribuie la cedarea contaminanților organici asociați solului. În plus, astfel de activități au fost arătate că pot crește mărimea suprafeței materiei organice a solului, care va avea rolul de a expune materialul fracționat la interacțiunea cu microorganismele, conducând la creșterea potențialului de degradare a contaminantului. Fracțiile de materie organică prelucrate prin digestie și excreție au efecte pozitive asupra structurii solului și mediului ambiant al solului. Acestea includ creșterea porozității solului, creșterea oxigenării, retenției apei,

22

îmbunătățirea fertilității solului prin accelerarea descompunerii materiei organice și îmbunătățirea accesibilității nutrienților (Hickman și Reid, 2008).

Deși procesul este dependent de specia râmelor, este cunoscut că râmele interacționează cu microorganismele solului (ciuperci, bacterii și actinomicete) pe trei direcții spațiale largi (căptușirea adăposturilor, coprolite și măruntaie sau intestine). De ex mucusul și coprolitele depozitate pe pereții adăposturilor și alte surse de carbon organic transferat prin sistemele de adăpostire promovează creșterea și distribuția microorganismelor în adăposturile râmelor (Farenhorst și colab. 2001) în timp ce mucusul, urina și glucoza pot conduce la creșterea de biomasă microbiană (Scheu, 1987). Aceasta este relevantă, deoarece creșterea în biomasa microbiană este legată de creșterea activității catabolice microbiene(Meharg,1996) și așa cum arată Gevao și colab. (2001) o astfel de creștere a activității, legată cu creșterea potențială a bioaccesibilității datorită acțiunii râmelor asupra solului cu intestine de râmă (Barois și colab., 1993) pot crește potențialul de pierdere a compușilor prin mineralizare microbiană. Numărul mai mare de microorganisme, diversitatea și activitatea sunt de asemenea cunoscute a fi în legătură cu trecerea microorganismelor prin intestine. Intestinele râmelor, ca și promovarea aici și stimularea florei dorminde din intestine este, totuși, în relație foarte strânsă cu timpul de trecere prin intestin (Brown și Doube, 2004).

Important, creșterea microflorei asociată intestinului, care este deci excretată în mediu prin coprolitele râmelor și prin aderarea microbiologică la pielea râmelor (Eduardo ȘI Bohlen, 1996) în timp ce mecanismele de tranzit și dispersie sunt asociate cu fluxul de apă (Kretzshmar, 2004) ajută de asemenea la disiparea ulterioară a microorganismelor. Astfel de acțiuni sunt clar relevante la orice metodologie de fitoremediere ce dorește incorporarea spațială a microorganismelor capabile să degradeze contaminanți organici.

9. APLICAREA ÎNGRĂȘĂMINTELOR

Fertilizarea ameliorativă reprezintă acțiunea de restaurare și creștere apreciabilă a fertilității solurilor care au pierdut această însușire în urma diverselor cauze. Se urmărește , în primul rând, ridicarea la un nivel optim, din punct de vedere agrochimic, și într-o perioadă limitată de timp, a conținutului în elemente nutritive și implicit a raportului C:N.

Fertilizarea minerală este absolut necesară în cazul poluării cu țiței, din cauza insuficienței azotului din sol aflat în raporturi anormale cu carbonul organic adus de hidrocarburi (raport C:N prea ridicat). Este de dorit să se aplice atât azot și fosfor încât să se realizeze raportul C/N/P de 300/10/1 - 100/10/1, dar fără ca la o singură aplicare să se aplice doze mai mari de 200 kg/ha N pentru a se evita pierderea inutilă prin spălare și toxicitatea pentru microorganisme.

Pentru realizarea și menținerea echilibrului elementelor nutritive în sol, pentru crearea condițiilor de multiplicare rapidă a microorganismelor, Barbu (2009) a aplicat doze de 200 kg/ha N, 100 kg/ha P și 100 kg/ha K, iar rezultatele procesului de bioremediere au fost foarte bune pe cernoziomul de la Constanța.

23

Pentru desfășurarea în bune condiții a proceselor fizico-chimice împlicate în degradarea petrolului și stimularea activității microorganismelor, Creangă și colab. (2005) recomandă:

o Amendarea solului cu carbonat de calciu pentru aducerea pH-ului la valori peste 6,5;

o Arătura la 15-30 cm, în funcție de grosimea orizontului A, pentru spargerea peliculei de petrol și diluarea poluantului într-o masă mai mare de sol;

o Fertilizarea organică anuală cu 150 t/ha gunoi de grajd semifermentat, prin aplicarea uniformă pe întrega suprafață poluată și încorporarea lui imediat în sol;

o Aplicarea anuală a îngrășămintelor minerale pe toată suprafața, în doză de N200P100K100;

o Aplicarea inocului bacterian.

Fertilizarea organică a solurilor poluate cu hidrocarburi este esențială în procesul de bioremediere. Rolul îngrășământului organic este multiplu:

constitue sursă de elemente de nutriție pentru plante și microorganismele din sol;

Are o capacitate mare de schimb cationic și de adsorbție, ceea ce face să adsoarbă (să fixeze) o cantitate mare de țiței împiedicând percolarea în adâncime și putând să rupă eventuala peliculă de țiței instalată la suprafața solului după poluare;

Constitue sursă de microorganisme diverse, ce pot fi implicate în degradarea petrolului și stimulează activitatea biologică a solului;

Mărește rezistența plantelor la conținutul de săruri din sol;

Permite o mai bună aerare a solului, deci stimulează procesul de descompunere, care este mai intens în condiții aerobe;

Ameliorează regimul aerohidric al solului și toți parametrii fizico-chimici.

Terenurile poluate au prioritate la fetilizarea organică.

În experiențe în vase de vegetație, Brandt și colab. (2006) au ajuns la concluzia că o concentrație de 220 N, 110 P și 110 K mg/kg sol este adecvată pentru creșterea vetiver (Vetiveria zizanioides (L.) Nash) pe solul poluat cu 5% hidrocarburi petroliere, în estul Venezuelei.

În metodele de biostimulare, nutrienții suplimentari pentru degradarea hidrocarburilor petroliere au fost de obicei îndreptați spre adăugarea de azot și fosfor, sau alți fertilizanți organici sau minerali. Deoarece carbonul este un constituent major al petrolului, rolul său tradițional în cercetările de bioremediere a fost tipic urmărit ca un indice pentru a determina cantitatea de N și P necesar a fi adăugată pentru a atinge raportul optim C:N:P. Mai recent, rolul suplimentării cu carbon în biodegradarea contaminanților a fost investigat prin folosirea de melasă de la trestia de zahăr, surfactanți, glucoză, nămoluri orășenești ori compostare (Tsai și colab., 2009).

24

Recomandări tehnologice – sinteză

1. Săparea unor șanțuri pentru colectarea rapidă a hidrocarburilor petroliere răspândite pe teren și transportul lor la o stație de tratare și recuperare.

2. Aplicarea a 16 t/ha turbă pentru a absorbi petrolul rămas și a limita pătrunderea lui în sol, pentru a aera solul și pentru a stimula dezvoltarea microorganismelor degradatoare a hidrocarburilor. Colectarea turbei îmbibate cu petrol și transmiterea ei la o stație de tratare.

3. Afânarea prin arătură a solului pe o adâncime de 25 cm pentru a asigura aerarea solului. Dacă cantitatea de petrol este mare, lucrarea se va repeta la 2-3 luni. Lucrările următoare de aerisire se pot face cu ajutorul frezei iar apoi prin discuire.

4. Dacă solul este acid sau bazic se recomandă aplicarea de amendamente și încorporarea lor în sol.

5. Scarificarea solurilor puternic tasate, cu porozitate de aerare scăzută, în vederea îmbunătățirii condițiilor aerohidrice din sol. Scarificarea se va efectua la adâncimea de 60 cm, iar distanța dintre organele active va fi de 1m. Momentul optim pentru executare este când solul are umiditatea de 60-80% din intervalul umidității active. Lucrarea se execută perpendicular pe canalul de desecare sau emisarul natural. Pe anumite soluri poluate și cu apă sărată se recomandă și executarea drenajului cârtiță.

6. Aplicarea absorbantului Zeba în doză de 32 kg/ha pentru a păstra apa în sol și a stimula astfel multiplicarea microorganismelor degradatoare.

7. Aplicarea unei policulturi microbiene selecționate din terenurile poluate cu hidrocarburi. Policultura bacteriană a conținut în principal reprezentanți aparținând genurilor: Pseudomonas sp., Escherichia, Micrococcus, Bacillus megaterium, Bacillus subtilis, Arthrobacter sp., și Streptomyces, care s-au demonstrat a fi implicate în descompunerea hidrocarburilor.

8. Fertilizarea cu 150 t/ha gunoi de grajd fermentat sat compostat. Se va face o aplicare cât mai omogenă a acestuia pe terenul poluat. Gunoiul asigură nu numai o mai bună aerare a solului, dar și o mare diversitate de microorganisme ce participă la procesul de bioremediere, rupe pelicula de petrol, reține hidrocarburile la suprafața solului unde zona este mai aerată și o mare parte se pierd prin volatilizare, asigură o gamă foarte mare de macro și micro elemente nutritive accesibile pentru plante, stimulează reținerea apei în sol, structurarea solului și îmbunătățește toți parametrii fizici ai solului.

9. Se fertilizează cu îngrășăminte minerale. Rezultate foarte bune sau obținut prin aplicarea N200P200K200. Dar recomandările diferă cu caracteristicile concrete ale solului.

10. Rezultate foarte bune au asigurat îngrășămintele lichide pe bază de humați în doză de 650 l/ha. Dintre acestea îngrășământul AH-SG2 (humat de potasiu într-o matrice de tip NPK cu microelemente și 8 % monozaharide sau 100 g/l glucoză aplicat în doză de 650 l/ha + 64 kg/ha glucoză) pe fondul aplicării absorbantului Zeba în doză de 32 kg/ha, în care nivelul TPH a scăzut cu 58 % la 60 de zile de la poluarea cu petrol, se apreciază a fi o variantă favorabilă pentru bioremediere.

25

11. Terenul se va cultiva cu porumb, Lolium perenne, floarea soarelui, lucernă, orz, ovăz, Lolium multiflorum, amestecuri de graminee și leguminoase, etc.

Diseminarea rezultatelor cercetării.

PUBLICAȚII

1. Mihail Dumitru, Catalin Simota, Mihai Toti, Nicoleta Marin, Reabilitarea solurilor poluate cu hidrocarburi petroliere, Ed. Terra Nostra Iasi, ISBN: 978-606-623-079-7, 400 p.

2. Mihail Dumitru, Andreea Vladimirescu, 2017. Critical limits of soil with

petroleum hydrocarbons. Soil Science, no 1, 2017 vol L, ISSN 0585-3052, p. 5-18

3. Mihail Dumitru, Andreea Vladimirescu, Lavinia Burtan, Carmen Sirbu, LOADS

LIMITS VALUES OF SOILS WITH PETROLEUM HYDROCARBONS, European Geosciences Union General Assembly 2017, Vienna, Austria, 23–28 April 2017. Geophysical Research Abstracts Vol. 19, EGU2017-12351, 2017. EGU General Assembly 2017

PARTICIPARE MANIFESTĂRI ȘTIINȚIFICE Participarea la European Geosciences Union General Assembly 2017, Vienna, Austria, 23–28 April 2017unde a fost prezentată lucrarea: Mihail Dumitru, Andreea Vladimirescu, Lavinia Burtan, Carmen Sirbu, LOADS LIMITS VALUES OF SOILS WITH PETROLEUM HYDROCARBONS, European Geosciences Union General Assembly 2017, Vienna, Austria, 23–28 April 2017. Geophysical Research Abstracts Vol. 19, EGU2017-12351, 2017. EGU General Assembly 2017