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Hydrocarbon biodegradation in oxygen-limited sequential batch reactors by consortium from weathered, oil-contaminated soil

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Abstract:

We studied the use of sequential batch reactors under oxygen limitation to improve and maintain consortium ability to biodegrade hydrocarbons. Air-agitated tubular reactors (2.5 L) were operated for 20 sequential 21-day cycles. Maya crude oil – paraffin mixture (13 000 mg/L) was used as the sole carbon source. The reactors were inoculated with a consortium from the rhizosphere of Cyperus laxus, a native plant that grows naturally in weathered, contaminated soil. Oxygen limitation was induced in the tubular reactor by maintaining low oxygen transfer coefficients (kLa < 20.6 h–1). The extent and biodegradation rates increased significantly up to the fourth cycle, maintaining values of about 66.33% and 460 mg·L–1·d–1, respectively. Thereafter, sequential batch reactor operation exhibited a pattern with a constant general trend of biodegradation. The effect of oxygen limitation on consortium activity led to a low biomass yield and non-soluble metabolite (0.45 g SS/g hydrocarbons consumed). The average number of hydrocarbon-degrading microorganisms increased from 6.5 × 107 (cycles 1–3) to 2.2 × 108 (cycles 4–20). Five bacterial strains were identified: Achromobacter (Alcaligenes) xylosoxidans, Bacillus cereus, Bacillus subtilis, Brevibacterium luteum, and Pseudomonas pseudoalcaligenes. Asphaltene-free total petroleum hydrocarbons, extracted from a weathered, contaminated soil, were also biodegraded (97.1 mg·L–1·d–1) and mineralized (210.48 mg CO2·L–1·d–1) by the enriched consortium without inhibition. Our results indicate that sequential batch reactors under oxygen limitation can be used to produce consortia with high and constant biodegradation ability for industrial applications of bioremediation.Key words: sequential batch reactors, oxygen limitation, consortium, hydrocarbon biodegradation.

Nous avons réalisé une étude sur des réacteurs séquentiels discontinus, dans des conditions limitées en oxygène, afin d'améliorer et de conserver la capacité des consortiums à biodégrader les hydrocarbures. Les réacteurs tubulaires en agitation aérienne (2,5 L) ont fonctionné pendant 20 cycles séquentiels de 21 jours. Un mélange de pétrole brut Maya et de paraffine (13 000 mg/L) a été utilisé comme seul source de carbone. Les réacteurs ont été inoculés avec un consortium issu de la rhizosphère de la plante indigène Cyperus laxus qui pousse à l'état sauvage dans des sols altérés contaminés. Une limitation en oxygène a été produite dans le réacteur tubulaire en modérant les coefficients de transfert d'oxygène (kLa < 20,6 h–1). L'ampleur et les taux de biodégradation ont augmenté significativement jusqu'au quatrième cycle, en conservant des valeurs d'environ 66,33 % et de 460 mg·L–1·jour–1 respectivement. Par la suite, les réacteurs séquentiels discontinus ont démontré une tendance générale de biodégradation. L'impact de la limitation d'oxygène sur l'activité des consortiums a mené à un faible rendement de biomasse et de métabolites insolubles (0,45 g de solides en suspension par g d'hydrocarbures consommés). Le nombre moyen de micro-organismes dégradant les hydrocarbures a augmenté de 6,5 × 107 (cycles 1–3) à 2,2 × 108 (cycles 4–20). Cinq souches bactériennes ont été identifiées comme étant Achromobacter (Alcaligenes) xylosoxidans, Bacillus cereus, Bacillus subtilis, Brevibacterium luteum et Pseudomonas pseudoalcaligenes. Les hydrocarbures de pétrole totaux sans asphaltène, extraits d'un sol altéré contaminé, ont également été biodégradés (97,1 mg·L–1·jour–1) et minéralisés (210,48 mg CO2·L–1·jour–1) par le consortium enrichi sans inhibition. Nos résultats indiquent que les réacteurs séquentiels discontinus fonctionnant avec une quantité limitée d'oxygène peuvent être utilisés pour produire des consortiums pourvus d'une capacité élevée et constante de biodégradation pour des applications industrielles de bioremédiation.Mots clés : réacteurs séquentiels discontinus, limitation d'oxygène, consortiums, biodégradation d'hydrocarbures.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: March 1, 2005

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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nrc/cjm/2005/00000051/00000003/art00006
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