Review
ABSTRACT
Petroleum and petrochemical hydrocarbons for some places are serious sources of environmental pollutants. To remediate these contaminants, phytoremediation, a relatively low cost and an environmental friendly technique is recommended more widely, now more than ever. Successful and effective applying of hydrocarbons phytoremediation depends mainly on the soil and plant types and conditions and microbial activities and the interactions between these three factors. Although for the last several decades, various plant and organism’s species for the phytoremediation processes have been extensively studied, evaluating and characterizing soil properties, as an important objective for sustainable remediation and land use management, which had negligible considerations. An ideal soil for phytoremediation should have proper physical, chemical and biological characteristics to let the plant grow well and produce biomass as high as possible. It also should provide favorable conditions for microbial activities to perform efficient remediation. Soil physical characteristics such as texture, structure, water status and aeration are important factors affecting the microbial activities and consequently the degree of remediation potential. A better understanding of soil physical properties in conjunction with proper soil-plant-microbe management could be exploited to enhance the remediation of hydrocarbon contaminated soils and thus sustainable healthy environment.
Key words: Phytoremediation, petroleum, hydrocarbon.
INTRODUCTION
In the current industrial society, using petroleum as a primary source of energy and for petrochemical byproducts is inevitable (Bierkens and Geerts, 2014), but for some specific places these activities pose the major sources of soil and water pollution as well (Hentati et al., 2013). According to Macci et al. (2013), industrialization during the past decades caused an ever-increasing reliance on petrochemicals, and as a consequence, many sites have been significantly contaminated with petroleum and the petroleum-byproducts (Jesus et al., 2015 and Gennadiev et al., 2015). This is especially more serious around the petroleum and petrochemical complexes and refineries in the countries producing these materials and generally the overall industrialized regions.
According to the EPA (US Environmental Protection Agency) the very hazardous chemicals like benzene, toluene, ethylbenzene, xylenes, and naphthalene are included in the petroleum hydrocarbons (Lehmann et al., 2006, Bojes and Pope 2007, Gao and Collins, 2009, Cook et al., 2010, Boonsaner et al., 2011, Fester et al., 2014, Germaine et al., 2015). These pollutants can affect soil physical characteristics like soil texture and structural status, compaction, saturated hydraulic conductivity, and penetration resistance (Hreniuc et al., 2015). When released on the surface soil, petroleum hydrocarbons, with a specific physico-chemical characteristics (Zahed et al., 2010) pushes soil toward a condition undesirable for proper and sustainable growth of plant and rhizosphere organisms activity (Gaskin and Bentham, 2010; Masakorala et al., 2014). Sources of spreading hydrocarbons also include storage tanks leakage, which only in 1994 was estimated to be around 250,000 numbers in the USA (Buswell, 1994). This means that presence of these contaminants in soil significantly reduce the quality of soil and thus minimize the germinating, growth and health of plants (Tang et al., 2010a). Therefore, remediation and removing of these materials from soil is necessary for the sustainable environmental health (Kang, 2014; Nichols et al., 2014). The petroleum contaminants are mixtures of solid, liquid and gaseous of hydrocarbon molecules with linear or polyaromatic structures (Moubasher et al., 2015); so not all compounds should be treated similarly and remediated by identical mechanism.
The source and degree of processing of the petroleum hydrocarbon adds an additional layer of complexity as, hydrocarbons may be in the form of crude oil or refined products such as gasoline, diesel or plastic byproducts (Kaimi et al., 2007; Barnes et al., 2009). Aging of the compounds in soil is another factor affecting the remediation phenomena (Wang et al., 2014). Phyto-remediation, make the use of plants to remediate contaminated soil, water or air and as an environmentally safe technique which is more than ever used in treatment or removing of pollutants from the contaminated sites (Tang et al., 2010b; Rascio and Navari-Izzo, 2011; Lotfinasabasl et al., 2013). Comparing to the destructive and expensive traditional methods (washing, excavating or thermalizing), this is a relatively low cost alternative, recently used for the remediation of a variety of environments (soil and water), contaminated with heavy metals and/or petroleum hydrocarbons (Semple et al., 2003; Ahn et al., 2008; Marek et al., 2009; Falciglia et al., 2011). However, using the phytoremediation technique maybe limited to a certain soil depth (up to the root zone area) and to a relatively low contaminants concentration. Phytoremediation is a collaborating soil, plant and organisms technique, in which plants, basically through the root systems clean, remediate or detoxify the polluted sites (Kamath et al., 2004; Isitekhale et al., 2013; Abhilash et al., 2014). The basic processes of phytoremediation include: transforming, stabilizing, assimilating, metabolizing or detoxifying of the hydrocarbon molecules.
Almost all of these procedures are depended on the interaction between the soil, plant and organisms (Zhang et al., 2010). In this regard, soil is the basic support for plant growth and a necessary medium for the organism’s activity in almost all ecosystems; therefore a successful phytoremediation management tentatively relies on the power of this collaboration. According to Padmavathiamma et al. (2014) for the phytoremediation technique to be successful, answering the following questions are crucial; if the contaminants allow the species to be germinated or transplanted, if the species are able to inoculate with the presenting micro organisms and if the use of local versus exotic plants and microorganisms is possible. An important factor in this regard is that, phytoremediation efficiency is absolutely affected by the concentration of petroleum contaminants (Peng et al., 2009).
After delineating and expressing the type and extent of contaminated soil and also finding out the methods to quantify the petroleum substances (Gan et al., 2009; Liu et al., 2011; Zhang et al., 2012; Abdullah et al., 2014; Pinedo et al., 2014; Potashev et al., 2014; Zhang et al., 2014; Wolejko et al., 2016), the subjected soil should be characterized as the first step in planning remediation strategies (Mao et al., 2009). This step includes testing and analyzing soil physical, chemical and biological characteristics. These analyses bring details of the degree of succession for the techniques such as microbial-based, bio-stimulation (Haslmayr et al., 2014) and bio-augmentation or phytoremediation in the processes of hydrocarbon degradation (Ayotamuno et al., 2006; Towell et al., 2011).
It is basically the soil conditions which manage plant-microbe interactions (Alrumman et al., 2015), therefore an ideal soil for phytoremediation should have proper characteristics in order to, let the plant grow well and produce biomass as high as possible (Khan et al., 2013; Phillips et al., 2012). Soil physical properties such as texture, structure, aeration and water status are among the factors affecting root-organism activity and performance. It is also the root exudates that cause the soil to become firm resulting in, movement of oxygen into deeper soil layer, higher root growth, more micro-organisms’ activity and thus more hydrocarbons degrading (Técher et al., 2011). Soil characteristics and plant-microbe interaction, significantly affect soil nutritional status, the quality and quantity of root exudates and consequently on bioavailability-remediation of petroleum hydrocarbons and heavy metals at the rhizosphere area (Técher et al., 2012). During the last three decades many researchers reported the importance of, different plant and organism species during the phytoremediationprocesses, but very little is mentioned about the soil part in this regard.
However, the efficiency of phytoremediation, degrading activities and performance of this technology greatly depend on factors like soil type, water status, nutrient bioavailability, soil temperature and aeration condition, salinity, sodicity and pH. Although, not well documented, evaluating and characterizing soil properties during phytoremediation processes can be a valuable help for decision making and finding possible use of different remediation techniques. In this review the role of a number of soils physical characteristics are being explained during the phytoremediation processes of petroleum hydrocarbon.
Soil texture (particle size and distribution), structure (pore size and tortuosity), consistency, bulk density (compaction), organic matter and moisture content, temperature status, and salt and nutrient content are some of the most important physical characteristics affecting root growth and development. Proper soil conditions allow roots to have the proper growth and thus having higher phytoremediation efficiency. For roots, the following morphological parameters are important: root architecture, structure, tensile strength, tortuosity, number, diameter, conditions (live or dead) and root hairs (Wang et al., 2013; Loades et al., 2013) which almost all, depends on soil physical (textural and structural) characteristics. In the following sections some of the important soil physical characteristics involved in the processes of phytoremediation of petroleum hydrocarbons are, being evaluated.
HYDROCARBONS (HC) AND SOIL QUALITY
PHYTOREMEDIATION OF HC AND SOIL TEXTURE
PHYTOREMEDIATION OF HC AND SOIL STRUCTURE
PHYTOREMEDIATION OF HC AND SOIL AIR STATUS
PHYTOREMEDIATION OF HC AND SOIL MOISTURE STATUS
PHYTOREMEDIATION OF HC AND SOIL TEMPERATURE
PHYTOREMEDIATION OF HC AND SOIL ORGANIC MATTER
CONFLICT OF INTERESTS
The authors have not declared any conflict of interests.
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