Open Access
Issue
Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP
Volume 58, Number 4, July-August 2003
Dossier: IFP International Workshop "Microbiology of Hydrocarbons: State of the Art and Perspectives"
Page(s) 449 - 462
DOI http://dx.doi.org/10.2516/ogst:2003028
Published online 01 December 2006
Oil & Gas Science and Technology - Rev. IFP, Vol. 58 (2003), No. 4, pp. 449-462
DOI: 10.2516/ogst:2003028

Intrinsic Aromatic Hydrocarbon Biodegradation for Groundwater Remediation

Biodégradation intrinsèque des hydrocarbures aromatiques pour la réhabilitation de nappes aquifères


A. Tiehm and S. Schulze

Water Technology Center, Karlsruher Str. 84, 76139 Karlsruhe - Germany


Abstract
Intrinsic biodegradation, representing the key process in natural attenuation, is increasingly considered for the remediation of contaminated sites as an alternative to more active measures. In this paper, intrinsic biodegradation is discussed with respect to BTEX and PAH. In the first part, an overview is given summarizing the current understanding of microbial aromatic hydrocarbon degradation and the methods available for the assessment of intrinsic bioremediation. In the second part, the concept and selected results of a case study are presented. Both aerobic and anaerobic biodegradation of aromatic hydrocarbons contribute to pollutant elimination at contaminated sites such as former manufactured gas plants and tar-oil polluted disposal sites. Intrinsic biodegradation processes usually result in a sequence of redox zones (methanogenic, sulfate-reducing, Fe(III)-reducing, denitrifying, aerobic) in the groundwater plume downgradient the source of contamination. Methods to assess redox zonation include hydro- and geochemical analysis, measurement of the redox potential, and determination of hydrogen. Biodegradation of target pollutants can be demonstrated by alterations in the pollutant profiles, isotopic fractionation, specific metabolic products, and by microcosm studies with authentic field samples. Microcosm studies in particular are a useful tool to identify degradation mechanisms and to understand the role of specific electron acceptors and redox conditions. In a case study, intrinsic biodegradation was examined at a tar-oil polluted disposal site. Due to the low sorption capacity of the aquifer, decreasing pollutant concentrations with increasing plume length were attributed predominantly to biodegradation. Sulfate reduction and Fe(III) reduction were the most important redox processes in the anaerobic core of the groundwater plume. Changing pollutant profiles with increasing plume length indicated active biodegradation processes, e.g. biodegradation of toluene and naphthalene in the anaerobic zones. In microcosms amended with model pollutants, biodegradation of toluene and ethylbenzene was observed under sulfate-reducing conditions. Degradation of toluene, ethylbenzene, benzene and naphthalene occurred in the presence of Fe(III). Under aerobic conditions, all BTEX and PAH were rapidly degraded.


Résumé
La biodégradation intrinsèque, qui représente le processus clé de l'atténuation naturelle, est de plus en plus couramment envisagée comme une alternative aux procédés plus actifs pour la réhabilitation de sites contaminés. Dans cet article, la biodégradation intrinsèque des BTEX et des HAP est discutée. La première partie passe en revue la compréhension actuelle de la dégradation microbienne des hydrocarbures aromatiques ainsi que les méthodes disponibles pour l'évaluation de la bioréhabilitation intrinsèque. Le concept et les résultats obtenus lors d'une étude de cas sont présentés dans une seconde partie. La biodégradation anaérobie et la biodégradation aérobie contribuent toutes deux à l'élimination des polluants de sites contaminés, comme les anciennes usines à gaz ou les décharges polluées par des huiles de pyrolyse. Les processus de biodégradation intrinsèque engendrent habituellement une suite de zones de redox (méthanogène, sulfatoréductrice, Fe(III)-réductrice, dénitifiante, aérobie) dans le panache des polluants dans l'aquifère en aval de la source de contamination. Les méthodes d'évaluation dans ces différentes zones de redox comprennent l'analyse hydro- et géochimique, la mesure des potentiels redox et la détermination de l'hydrogène. La biodégradation des polluants visés peut être démontrée par la modification des profils de polluant, par le fractionnement isotopique, par des produits spécifiques du métabolisme et par des études en microcosmes sur des échantillons du terrain. Les études en microcosmes constituent un outil particulièrement utile pour identifier les mécanismes de dégradation et pour étudier le rôle d'accepteurs d'électrons spécifiques et des conditions redox. Lors d'une étude de cas, nous avons examiné la biodégradation intrinsèque d'un site pollué par des huiles de pyrolyse. Du fait de la faible capacité de sorption de l'aquifère, la diminution de la concentration en polluant le long du panache d'eau polluée a été majoritairement attribuée à de la biodégradation. La réduction des sulfates et la réduction de Fe(III) étaient les principaux processus redox au cSur du panache d'eau souterraine. Les changements de profil des polluants le long du panache indiquaient l'existence de processus de biodégradation actifs, par exemple, la biodégradation du toluène et du naphtalène dans des zones anaérobies. Dans des microcosmes pollués avec des polluants modèles, la biodégradation du toluène et de l'éthylbenzène a été observée en conditions sulfatoréductrices. La dégradation du toluène, de l'éthylbenzène, du benzène et du naphtalène avait lieu en présence de Fe(III). En conditions aérobies, tous les BTEX et HAP étaient rapidement dégradés.


Correspondence and reprints: tiehm@tzw.de


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