PHYTOREMEDIATION OF PETROLEUM HYDROCARBONS AND SALT IMPACTED SOIL BY RECRETOHALOPHYTES AND HALOCONDUCTION

Abstract

Two environmental contaminants that are found at many oil and gas extraction sites are petroleum hydrocarbons (PHCs) and salts. Conventional remediation technologies for PHC- and salt-contaminated soils include ex situ treatment methods like excavation and disposal, as well as in situ treatments such as leaching and the addition of soil amendments. These traditional remediation technologies are expensive, require multiple applications, and could potentially have a negative effect on sensitive ecosystems. A passive solution to remediating PHCs and salts individually that has been shown to work in the past with varying degrees of success is phytoremediation. PHCs are degraded by microorganisms in the root zone (rhizodegradation), while salt tolerant plants, known as halophytes extract salts from the soil. Some halophytes, known as recretohalophytes, have specialized salt glands embedded in their leaf tissue that excrete excess salts onto their leaf surfaces. Under the appropriate conditions, these salts can mobilize into the air by wind, effectively diluting them over a large area, in a process known as haloconduction. Two native recretohalophytes Distlichils spicata and Spartina pectinata were assessed for their ability to simultaneously degrade PHCs and disperse salts. Soils impacted by high levels of potassium chloride (KCl) were spiked to a total petroleum hydrocarbon (TPH) level of ~10,000 mg/kg. TPH levels significantly decreased to around ~4,000 mg/kg in the first three months of the 22 month experiment. There was no significant difference between the planted and non-planted pots indicating that the TPH decrease was not attributable to the plants. The PHCs did not interfere with the salt excretion capabilities of S. pectinata, which significantly (p<0.05) reduced the salt levels by ~93%. At optimal humidity conditions (55-65%), the salt crystals of S. pectinata measured 31 + 24 μm, which is significantly smaller than D. spicata crystals measured at 49 + 22 μm (p<0.05). S. pectinata also excreted significantly more salt crystals per unit area of plant surface (60 crystals + 41 per 1 mm2) than D. spicata (27 crystals + 16 per 1 mm2). A wind tunnel apparatus was designed and constructed to mobilize and collect excreted salt once it had blown off the plants. The salt was collected from within the apparatus by swabbing the inside at 30 cm increments, washing the moistened cheesecloth, and rinsing any remaining salt off of the plant. A mean total of 34 ± 21 mg of salt (Cl-) was collected for D. spicata and 189 ± 54 mg for S. pectinata, which is significantly more total salt than D. spicata (p<0.05). Combining meteorological data with the results determined in this thesis, it is now possible, for the first time, to model the dispersion of salt at a field site planted with D. spicata and S. pectinata. These findings contribute to the theory of haloconduction and the implementation of recretohalophytes for phytoremediation of PHCs and salts.

Les sels et les 'hydrocarbures pétroliers (HCP) sont deux contaminant environnementaux présents aux sites d'extraction de pétrole et de gaz. Les technologies classiques d'assainissement des sols contaminés par les hydrocarbures pétroliers et les sels incluent les méthodes de traitement ex situ, comme l'excavation, ainsi que les traitements in situ comme le lessivage et les amendements au sol. Ces technologies d'assainissement traditionnelle sont coûteuses, nécessitent plusieurs applications et on le potentielle d’avoir un effet négatif sur les écosystèmes sensibles. La phytoremédiation est une méthode passive pour assainir les HCP et les sels, qui a été démontré dans la littérature, individuellement, avec plusieurs degrés de succès. Les HCP sont dégradés par les micro-organismes présents dans la zone racinaire (rhizodégradation), tandis que les plantes tolérantes au sel, appelées halophytes, extraient les sels du sol. Certains halophytes, connus par le nom recretohalophytes, ont des glandes à sel spécialisées incorporées dans le tissu de la feuille qui excrètent les sels qui sont en excès, sur la surface de la feuille. Alors que les conditions sont appropriées, le vent peut mobiliser ces granules de sel dans l'air, ce qui peut les diluer efficacement sur une grande surface, selon un processus appelé haloconduction. Deux récrétohalophytes indigènes, Distlichils spicata et Spartina pectinata, ont été évalués pour leur capacité à dégrader simultanément les HCP et dispersé les sels. Les sols affectés par des niveaux élevés de chlorure de potassium (KCl) ont été dopés à une concentration d'hydrocarbures de pétrole totaux (TPH) d'environ 10 000 mg / kg. Les taux de TPH ont diminué de manière significative jusqu'à environ 4 000 mg / kg au cours des trois premiers mois des 22 mois de l’expérience. Il n'y avait pas de différence significative entre les pots plantés et non plantés ce qui indique que la diminution de la TPH n'était pas attribuable aux plantes. Les PHC n'ont pas affecté la capacité d'excrétion de sel de S. pectinata, ce qui réduisait considérablement (p <0,05) les niveaux de sel d'environ 93%. Lorsque les conditions d'humidité étaient optimales (55-65%), les cristaux de sel de S. pectinata mesuraient 31 + 24 μm, ce qui est plus petit que les cristaux de D. spicata mesurés à 49 + 22 μm (p <0,05). S. pectinata a également excrété significativement plus de cristaux de sel par unité de surface de la feuille ? (60 cristaux + 41 par 1 mm2) que D. spicata (27 cristaux + 16 par 1 mm2). Une soufflerie a été conçu et construit pour mobiliser le sel excrété par les plantes. Le sel a été recueilli à l'intérieur de l'appareil en tamponnant l'intérieur par incréments de 30 cm, en lavant l'étamine humidifiée et en rinçant le sel restant sur la plante. La moyenne de sel recueilli en total étaient 34 ± 21 mg (Cl-) pour D. spicata et 189 ± 54 pour S. pectinata, ce qui représente significativement plus de sel que D. spicata (p <0,05). En combinant les données météorologiques avec les résultats déterminés dans cette thèse, il est maintenant possible, pour la première fois, de modéliser la dispersion de sel sur un site planté de D. spicata et de S. pectinata. Ces résultats contribuent à la théorie d'haloconduction et à la mise en œuvre de l’application des recretohalophytes pour la phytoremédiation des HCP et des sels.