Influence of Ageing of Polluted Soils on Bioavailability of Phenanthrene
Influence du vieillissement des sols pollués sur la biodisponibilité du phénanthrène
BRGM, Environment and Process Division, 3, avenue Claude-Guillemin, BP 6009, 45060 Orléans Cedex 2 - France
Corresponding author: mc.dictor@brgm.fr
Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are aromatic compounds persistent in the environment because of their hydrophobic nature, low water solubility and high adsorption onto soils and sediments. Bacteria can degrade phenanthrene dissolved in water but not when adsorbed onto soil particles. The bioavailability of phenanthrene for bacteria used for pollutant degradation was evaluated as a function of ageing of a soil polluted by phenanthrene. Ageing and biodegradation were studied in batches containing a sterile contaminated soil (soil H) and kaolinite coated with heavy fuel oil (KF2), both spiked with 14C-labelled phenanthrene. The solid matrix was kept in contact with the pollutant for 2, 48 h, 1 week, and 1, 2 and 4 months for soil H, and 2, 48 h and 2 months for KF2. After each contact time, a bacterial culture able to degrade phenanthrene and the nutrient medium was added. For 25 days, 14CO2 produced and 14C-residual activity in the liquid phase were monitored using liquid scintillation. The metabolites formed during biodegradation were determined by HPLC/UV. Adsorption of phenanthrene on soil H or KF2 was shown by comparing assay without ageing and those with different ageing times. For Soil H, 8%, 40% and 55% of the phenanthrene had been adsorbed after 2, 48h and 4 months of ageing, respectively. After the addition of degrading bacteria, 25% of phenanthrene had been mineralized in non-aged soil H and only 8% after a 4-month ageing time. This indicates that the amount of substrate available is a limiting factor for bacterial activity. For KF2, phenanthrene adsorption onto the solid was more rapid than that observed with the soil H since 55% of the pollutant had been adsorbed after only 2 h of ageing. This is due to the different nature of the organic matter in KF2 (only one type of organic matter and numerous available adsorption sites) and in the soil H (heterogeneous organic matter and adsorption sites). For both soil H and KF2, 60% of phenanthrene had been adsorbed after 2 months of ageing. With KF2, the percentage of phenanthrene mineralized reached 20% after 2 and 48 h of ageing and decreased to 6% after 2 months of ageing. These experiments show that the availability of the pollutant for bacteria decreased with soil ageing.
Résumé
Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) sont des composés aromatiques persistant dans l'environnement de par leur caractère hydrophobe entraînant une faible solubilité en milieu aqueux et une forte adsorption sur les sols et sédiments. Généralement, les bactéries ne sont pas capables de dégrader le phénanthrène adsorbé sur les particules de sol mais seulement le phénanthrène en solution. L'objectif du travail ici présenté est d'évaluer la biodisponibilité du phénanthrène pour les bactéries capables de dégrader le polluant en fonction du vieillissement du sol en présence de phénanthrène. Les expériences de vieillissement et de biodégradation ont été réalisées en batch en présence de sol contaminé stérile H ou d'un solide modèle KF2 (kaolinite recouverte de fioul lourd) auxquels est incorporé du phénanthrène marqué au 14C. Les échantillons solides sont mis en contact avec le polluant dans l'obscurité pendant 2, 48 h, 1 semaine, 1, 2 et 4 mois pour le sol H et pendant 2, 48 h et 2 mois pour KF2. Après chaque temps de maturation, une solution contenant une suspension bactérienne apte à la dégradation du phénanthrène et du milieu nutritif est ajoutée dans chaque fiole. Le 14CO2 dégagé lors de la minéralisation de la molécule et le 14C résiduel dans la phase liquide sont analysés en scintillation liquide sur une durée totale de 25 jours. Les métabolites formés lors de la dégradation du phénanthrène ont été analysés par HPLC/UV. Une adsorption du phénanthrène sur le sol H et sur KF2 est mise en évidence par comparaison entre l'essai sans maturation et les essais à différents temps de maturation. Pour le sol H, 8, 40 et 55% du phénanthrène est absorbé après respectivement 2 et 48 h et 2 mois de maturation. Après ajout des bactéries dégradantes, 25% du phénanthrène est minéralisé lorsque le sol H a été vieilli pendant 2 h et seulement 8% du phénanthrène est minéralisé après un temps de maturation de 4 mois. Ceci met en évidence une limitation de la quantité du substrat disponible pour les bactéries. Dans le cas de KF2, l'adsorption du phénanthrène sur le solide est plus rapide que dans le sol H car, après 2h de mise en contact du solide et du phénanthrène, 55% du produit est adsorbé. Ceci s'explique par la nature différente de la matière organique entre KF2 (un seul type de matière organique et beaucoup de sites d'adsorption libres) et le sol H (hétérogénéité de la matière organique et de la disponibilité des sites d'adsorption). Comme dans le cas du sol H, la quantité de polluant adsorbé atteint 60% après 2 mois de maturation de KF2. De plus, le taux de minéralisation du phénanthrène par les bactéries dégradantes est de 20% après 2 et 48 h de maturation et de 6% après 2 mois de maturation. Un palier est atteint après 15 jours de suivi de la cinétique de minéralisation. Ces expériences mettent en évidence une diminution de la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries lors du vieillissement du sol.
© IFP, 2003