Advanced

Colonisation and PAH degradation by wood-rotting fungi in contaminated soil

Andersson, Erik LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Vid många industriella processer bildas olika typer av biprodukter, som kan vara mer eller mindre giftiga. En ovarsam hantering av de giftiga ämnena, eller en olycka, kan lätt leda till att den omgivande miljön blir förorenad. Förr, när man var mindre medveten om riskerna med de här ämnena hamnade de ofta i marken kring anläggningarna. Det har resulterat i många förorenade tomter runtom i världen.



PAH – vad är det?



En grupp av giftiga ämnen som under lång tid har spridits i vår miljö är polycykliska aromatiska kolväten (PAH:er). De bildas i princip vid all förbränning av organiskt material, och finns t.ex. i bilavgaser och tobaksrök. De ingår också i... (More)
Popular Abstract in Swedish

Vid många industriella processer bildas olika typer av biprodukter, som kan vara mer eller mindre giftiga. En ovarsam hantering av de giftiga ämnena, eller en olycka, kan lätt leda till att den omgivande miljön blir förorenad. Förr, när man var mindre medveten om riskerna med de här ämnena hamnade de ofta i marken kring anläggningarna. Det har resulterat i många förorenade tomter runtom i världen.



PAH – vad är det?



En grupp av giftiga ämnen som under lång tid har spridits i vår miljö är polycykliska aromatiska kolväten (PAH:er). De bildas i princip vid all förbränning av organiskt material, och finns t.ex. i bilavgaser och tobaksrök. De ingår också i varierande halt i olika produkter, såsom tjära och fossila bränslen. Av PAH:er finns det många olika typer, några är små, exempelvis naftalen, medan andra bildar stora, komplexa molekyler som löser sig väldigt dåligt i vatten. Naftalen är ett exempel på ett toxiskt (giftigt) PAH, och har länge använts för att döda insekter, t.ex. för att hålla yllekläder fria från malangrepp. Större PAH:er är inte lika akut toxiska som naftalen, men däremot är flera av dem starkt cancerframkallande. Om vi får i oss ett sådant PAH kommer kroppen genom en rad kemiska reaktioner att försöka göra ämnet mer vattenlösligt så att det snabbt kan lämna kroppen med urinen. Då bildas det reaktionsprodukter (metaboliter) som tyvärr gärna binder till cellernas arvsmassa, DNA, vilket leder till cancer. De här egenskaperna hos PAH:er gör att vissa PAH-förorenade områden räknas till de mest allvarliga miljöproblemen vi har idag.



Gasverk och träimpregneringsanläggningar – ett miljöproblem



När PAH:er sprids via luften, t.ex. via bilavgaser, kommer en stor del av dem att så småningom hamna i marken. Den här typen av spridning leder till ganska låga koncentrationer av PAH i jorden. De ställen där man hittar höga halter av PAH har istället blivit förorenade av en verksamhet på själva platsen. Exempel på sådana områden är gamla gasverkstomter och träimpregneringsanläggningar. Det var i mitten av 1800-talet som man i Sverige började bygga gasverk för produktion av stadsgas. Som råvara användes stenkol. Förutom den värdefulla gasen, som användes för belysning och uppvärmning, bildades en hel del biprodukter vid gasframställningen, bl.a. stenkolstjära. Tjäran innehåller höga halter PAH och användes till en början bl.a. som utfyllnadsmaterial på själva gasverkstomterna. Efter hand utvecklades en ganska omfattande biproduktshantering vid gasverken, och flera nya produkter såg dagens ljus. Den viktigaste var nog träimpregneringsmedlet kreosot, som utvanns genom att destillera stenkolstjäran. Kreosot, som likt tjära innehåller höga halter av PAH, gav träprodukter ett effektivt skydd mot väta och svampangrepp. Det kan vi än idag se exempel på i form av alla de tusentals kreosotimpregnerade telefonstolpar och järnvägssyllar som fortfarande efter många år är intakta. Vid träimpregneringen skedde tyvärr en hel del spill, och den kreosot som hamnade i marken ligger på många platser kvar där än idag.



Nedbrytning av PAH – ett tufft jobb för jordens mikroorganismer



I naturen bryts många föroreningar efter hand ned till mindre farliga produkter. Ofta är det olika typer av mikroorganismer, t.ex. bakterier och svampar, som är involverade. Det har dock visat sig att en enskild organism, låt oss säga en viss typ av bakterie, sällan har förmågan att själv stå för hela nedbrytningen. Det är istället ett samarbete mellan olika organismer som behövs för att nedbrytningen skall fungera fullt ut. Även om vissa föroreningar snabbt kan brytas ned av bakterier och svampar har andra visat sig ganska motståndskraftiga. PAH tillhör den grupp av föroreningar som är allra svårast att bryta ned. Det är därför vi fortfarande kan hitta höga halter av PAH i jorden runt ett gasverk. Att sanera en PAH-förorenad mark är idag en ganska kostsam historia med dyrbara uppgrävningar, transporter och kanske förbränning. Därför försöker man utveckla alternativa metoder, bl.a. biologisk sanering, där man utnyttjar mikroorganismer för själva nedbrytningen. Eftersom PAH:er har visat sig vara svåra för bakterier att bryta ned, har man under den senaste tiden försökt utnyttja andra organismer, svampar, för att påskynda processen.



Rötsvampen – fiende eller vän?



Under arbetet med den här avhandlingen har en viss typ av svampar – rötsvampar - använts för att se hur de kan påverka nedbrytningen av PAH i förorenad jord. De här svamparna, bl.a. olika tickor och skivlingar, lever normalt på levande eller döda träd och på virke. Medan somliga rötsvampar är utmärkta matsvampar, t.ex. ostronskivling, är nog de flesta mera kända som skadegörare. Ett exempel på en rötsvamp som kan ställa till stor skada i träbyggnader är hussvamp. En annan sådan svamp, som studerats närmare i den här avhandlingen är mögelticka. Förr i tiden var den ett stort problem i gruvor, där den angrep fuktigt trä. Det är just den här förmågan att bryta ned trä som gör de här organismerna så intressanta för sanering. Men var kommer då PAH in i bilden? Jo, det som är spännande är att forskning har visat att vissa strukturer i trä faktiskt liknar PAH. I naturen skickar rötsvamparna ut speciella ämnen, enzymer, som påbörjar nedbrytningen av träet. Om man kan få svamparna att göra detsamma i en förorenad jord skulle PAH:erna också kunna brytas ned. Det är själva tanken bakom marksanering med rötsvampar. Förutom ostronskivling och mögelticka har flera olika svampar testats under arbetet med den här avhandlingen: svavelgul slöjskivling, sidenticka samt en svamp som inte växer naturligt i Sverige, men som använts väldigt ofta utomlands, <i>Phanerochaete</i> <i>chrysosporium.</i> Syftet med studien var bl.a. att se om de inhemska svamparna hade förmågan att bryta ned PAH lika bra som den utländska <i>P.</i> <i>chrysosporium.</i>



Viktigt med växt i jorden



För att marksanering med rötsvamp skall kunna vara ett alternativ till traditionella saneringsmetoder måste svampen naturligtvis kunna bryta ned föroreningen, i det här fallet PAH. Det klarade nästan alla testade svampar av. Men något som ofta glöms bort är att svampen också måste kunna växa i den förorenade miljön. Flera tidigare marksaneringsförsök med svamp har visat sig fungera dåligt. Svampen har snabbt dött och ingen nedbrytning har skett. Men det är egentligen inte så konstigt. Om vi tar kreosot som exempel får vi komma ihåg att den användes, och faktiskt fortfarande används, just för att förhindra angrepp från de här svamparna. Den kreosotförorenade jorden är därför en ganska ogästvänlig miljö. Resultat från den här avhandlingen har visat att förmågan att växa i PAH-förorenade jordar skiljer sig mycket från svamp till svamp. Vissa svampar växte bra både på ytan och på djupet (mögelticka) medan andra dog ganska snabbt. Andra klarade av en viss typ av jord, medan de bara växte långsamt eller inte alls i en jord hämtad från en annan förorenad tomt. Man kan därför inte vara säker på att en svamp som visat sig kunna kolonisera en viss typ av jord automatiskt kommer att kunna växa i en annan. Orsaken kan vara att den "nya" jorden är för giftig p.g.a. för höga halter PAH eller andra föroreningar. Det kan också bero på att konkurrensen från de svampar och bakterier som redan finns i jorden är för stark, och då kan den tillsatta rötsvampen inte klara sig.



Ostronskivling – en aggressiv svamp



Som redan nämnts är en av de testade svamparna ostronskivling, eller <i>Pleurotus</i> <i>ostreatus.</i> Den har kunnat växa i de flesta av jordarna som undersökts. De första resultaten från PAH-nedbrytningen, som skedde i en jord som från början var ren men som förorenats på laboratoriet, visade att ostronskivling hade brutit ned vissa PAH:er nästan fullständigt, och faktiskt var bättre än den kända <i>P.</i> <i>chrysosporium.</i> Men efter att ha studerat analysresultaten ännu en gång visade det sig att PAH:erna inte alls hade brutits ned utan bara omvandlats till flera olika PAH-metaboliter. Dessa omvandlingsprodukter stannade kvar i jorden under lång tid och bröts inte ned. Ur saneringssynpunkt är det inte speciellt bra, eftersom vissa PAH-metaboliter har visat sig vara mer toxiska än PAH själva. I ett försök med <i>P.</i> <i>chrysosporium</i> bildades också höga halter av PAH-metaboliter, men de försvann ganska snabbt från jorden. När samma svamp ympades in i en jord som först blivit steriliserad, bildades också PAH-metaboliter, men som i fallet för ostronskivling bröts de sedan inte ned. Detta indikerar att jordens mikroorganismer måste vara med för att PAH-nedbrytningen skall kunna bli fullständig – svampen klarar det inte på egen hand. Men ostronskivlingen då, varför stannade PAH-metaboliterna kvar i den jorden, den hade ju inte blivit steriliserad? Detta undersöktes närmare i ett annat experiment. Där visade det sig att ostronskivling kan ha en kraftig negativ inverkan på jordens bakterier när den växer i en förorenad jord. Detta gällde även den typ av bakterier som hade förmåga att bryta ned PAH:er, så det är därför troligt att bakterierna som skulle kunnat bryta ned metaboliterna och därmed slutföra PAH-nedbrytningen hade dödats av svampen. En slutsats är därför att det kan vara bättre att använda en mindre aggressiv svamp än ostronskivling.



Framtiden?



Flera studier har visat att rötsvampar är fenomenala på att bryta ned PAH:er i laboratoriemiljö. Men när det gäller jordar från t.ex. gamla gasverkstomter har de flesta nedbrytningsförsök inte gett särskilt positiva resultat. Det största problemet verkar vara att PAH:erna sitter ganska hårt fast i jorden och att svamparna därmed inte kommer åt dem. Flera experiment har därför gjorts för att försöka få loss PAH:erna från jordpartiklarna och göra dem mer vattenlösliga. Detta har gjorts med hjälp av detergenter (ett slags tvättmedel) och vegetabiliska oljor. En del resultat verkar lovande och kanske kommer att leda fram till storskaliga försök. Om det så småningom skulle visa sig att rötsvampar trots allt inte är så lämpliga för sanering av PAH-förorenad jord så finns det flera andra föroreningar som skulle kunna behandlas. Det har t.ex. visat sig möjligt för rötsvampar att bryta ned andra typer av träimpregneringsmedel, men även vissa typer av insektsgifter. Så med all säkerhet kommer forskningen kring rötsvampar och föroreningar att fortsätta; med nya svampar, jordar och föroreningar. (Less)
Abstract
Bioremediation of soils is considered a low-cost alternative to other remediation techniques. Its ability to remove a number of different pollutants has been demonstrated, relying mainly on the activities of indigenous soil bacteria. The polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are considered major environmental pollutants in soil, some of them being toxic and others carcinogenic. Since high-molecular-weight PAHs in soil have been shown to be difficult for bacteria to degrade, new techniques for degrading them have been sought. One possibility is that of using wood-rotting fungi. These are able to produce oxidative enzymes, which act outside the cell. Thus far, most studies of bioremediation by use of fungi have focused on pollutant... (More)
Bioremediation of soils is considered a low-cost alternative to other remediation techniques. Its ability to remove a number of different pollutants has been demonstrated, relying mainly on the activities of indigenous soil bacteria. The polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are considered major environmental pollutants in soil, some of them being toxic and others carcinogenic. Since high-molecular-weight PAHs in soil have been shown to be difficult for bacteria to degrade, new techniques for degrading them have been sought. One possibility is that of using wood-rotting fungi. These are able to produce oxidative enzymes, which act outside the cell. Thus far, most studies of bioremediation by use of fungi have focused on pollutant degradation. However, successful development of this technique requires that other matters be taken into consideration as well, including fungal colonisation of the soil and effects of the fungi on indigenous soil microorganisms. One objective of the work reported in the thesis was to investigate the PAH degradation and transformation performance of several wood-rotting fungi in contaminated soil. Inoculation of artificially PAH-contaminated soil with the white-rot fungi <i>Phanerochaete</i> <i>chrysosporium,</i> <i>Pleurotus</i> <i>ostreatus,</i> <i>Pleurotus</i> <i>sajor-caju</i> and <i>Trametes</i> <i>versicolor</i> was found to result in a high degree of PAH removal, indicating the capacity of these fungi to degrade PAHs in a soil environment. The ability of the fungi to bring about the accumulation of PAH metabolites in soil was found to differ considerably between fungal species. Both <i>P.</i> <i>chrysosporium</i> and the two <i>Pleurotus</i> species produced large amounts of 9,10-anthracenedione from parent anthracene when inoculated into artificially contaminated soil. In autoclaved soil inoculated with <i>P.</i> <i>chrysosporium</i> no degradation of the accumulated dione was noted, whereas in non-autoclaved soil treated with this fungus degradation occured. This indicates that, for a complete degradation of PAHs in soil to take place, active indigenous soil microflora is needed. Another aspect of the work focused on the growth of the fungi in contaminated soil. It was found that the capability of the tested fungi to colonise PAH-contaminated soils depends both on the soil origin and the fungal species employed. Whereas artificially contaminated soil supported the growth of all the fungi tested, soil from former gasworks sites caused problems for some of the fungi. The growth of the wood-rotting fungi in the soil and the effect of the fungi on the indigenous soil microorganisms could be assessed by analysing the soil levels of specific phospholipid fatty acids. In doing this, a large negative effect on the soil bacteria could be observed when the soil was inoculated with the highly competitive <i>P.</i> <i>ostreatus</i>. Further investigations showed that the culturable phenanthrene-degrading bacteria were also reduced in number, suggesting the indigenous soil microorganisms to have been hindered in their degradation of <i>P.</i> <i>ostreatus</i>-produced PAH metabolites. Finally, the three-dimensional outgrowth of the brown-rot fungus <i>Antrodia</i> <i>vaillantii</i> in coal-tar-contaminated soil was revealed in lab-scale systems by means of a simple monitoring technique, which was developed. This fungus also was found to be capable of the extensive colonisation of contaminated soil under outdoor conditions. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Docent Stenström, John, Department of Microbiology, SLU, Uppsala
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
agricultural hydrology, Soil Science, Bioteknik, Biotechnology, PLFA, PAH metabolites, PAH, degradation, contaminated soil, soil, brown-rot fungi, white-rot fungi, Colonisation, fungal growth, Lantbrukshydrologi, marklära, Chemical technology and engineering, Kemiteknik och kemisk teknologi
pages
135 pages
publisher
Department of Biotechnology, Lund University
defense location
Lecture hall A, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund, Sweden
defense date
2001-06-12 10:15
external identifiers
  • other:ISRN: LUTKDH/TKBT- -01/1051- -SE
ISBN
91-89627-00-8
language
English
LU publication?
yes
id
13154b82-ef1a-46e6-8f0f-3df8066943be (old id 41694)
date added to LUP
2007-06-20 11:15:24
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@phdthesis{13154b82-ef1a-46e6-8f0f-3df8066943be,
  abstract     = {Bioremediation of soils is considered a low-cost alternative to other remediation techniques. Its ability to remove a number of different pollutants has been demonstrated, relying mainly on the activities of indigenous soil bacteria. The polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are considered major environmental pollutants in soil, some of them being toxic and others carcinogenic. Since high-molecular-weight PAHs in soil have been shown to be difficult for bacteria to degrade, new techniques for degrading them have been sought. One possibility is that of using wood-rotting fungi. These are able to produce oxidative enzymes, which act outside the cell. Thus far, most studies of bioremediation by use of fungi have focused on pollutant degradation. However, successful development of this technique requires that other matters be taken into consideration as well, including fungal colonisation of the soil and effects of the fungi on indigenous soil microorganisms. One objective of the work reported in the thesis was to investigate the PAH degradation and transformation performance of several wood-rotting fungi in contaminated soil. Inoculation of artificially PAH-contaminated soil with the white-rot fungi &lt;i&gt;Phanerochaete&lt;/i&gt; &lt;i&gt;chrysosporium,&lt;/i&gt; &lt;i&gt;Pleurotus&lt;/i&gt; &lt;i&gt;ostreatus,&lt;/i&gt; &lt;i&gt;Pleurotus&lt;/i&gt; &lt;i&gt;sajor-caju&lt;/i&gt; and &lt;i&gt;Trametes&lt;/i&gt; &lt;i&gt;versicolor&lt;/i&gt; was found to result in a high degree of PAH removal, indicating the capacity of these fungi to degrade PAHs in a soil environment. The ability of the fungi to bring about the accumulation of PAH metabolites in soil was found to differ considerably between fungal species. Both &lt;i&gt;P.&lt;/i&gt; &lt;i&gt;chrysosporium&lt;/i&gt; and the two &lt;i&gt;Pleurotus&lt;/i&gt; species produced large amounts of 9,10-anthracenedione from parent anthracene when inoculated into artificially contaminated soil. In autoclaved soil inoculated with &lt;i&gt;P.&lt;/i&gt; &lt;i&gt;chrysosporium&lt;/i&gt; no degradation of the accumulated dione was noted, whereas in non-autoclaved soil treated with this fungus degradation occured. This indicates that, for a complete degradation of PAHs in soil to take place, active indigenous soil microflora is needed. Another aspect of the work focused on the growth of the fungi in contaminated soil. It was found that the capability of the tested fungi to colonise PAH-contaminated soils depends both on the soil origin and the fungal species employed. Whereas artificially contaminated soil supported the growth of all the fungi tested, soil from former gasworks sites caused problems for some of the fungi. The growth of the wood-rotting fungi in the soil and the effect of the fungi on the indigenous soil microorganisms could be assessed by analysing the soil levels of specific phospholipid fatty acids. In doing this, a large negative effect on the soil bacteria could be observed when the soil was inoculated with the highly competitive &lt;i&gt;P.&lt;/i&gt; &lt;i&gt;ostreatus&lt;/i&gt;. Further investigations showed that the culturable phenanthrene-degrading bacteria were also reduced in number, suggesting the indigenous soil microorganisms to have been hindered in their degradation of &lt;i&gt;P.&lt;/i&gt; &lt;i&gt;ostreatus&lt;/i&gt;-produced PAH metabolites. Finally, the three-dimensional outgrowth of the brown-rot fungus &lt;i&gt;Antrodia&lt;/i&gt; &lt;i&gt;vaillantii&lt;/i&gt; in coal-tar-contaminated soil was revealed in lab-scale systems by means of a simple monitoring technique, which was developed. This fungus also was found to be capable of the extensive colonisation of contaminated soil under outdoor conditions.},
  author       = {Andersson, Erik},
  isbn         = {91-89627-00-8},
  keyword      = {agricultural hydrology,Soil Science,Bioteknik,Biotechnology,PLFA,PAH metabolites,PAH,degradation,contaminated soil,soil,brown-rot fungi,white-rot fungi,Colonisation,fungal growth,Lantbrukshydrologi,marklära,Chemical technology and engineering,Kemiteknik och kemisk teknologi},
  language     = {eng},
  pages        = {135},
  publisher    = {Department of Biotechnology, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Colonisation and PAH degradation by wood-rotting fungi in contaminated soil},
  year         = {2001},
}