中原地区微生物修复石油污染土壤的实验研究.pdf
第 8卷第 6 期 2 0 1 0年 1 2月 Vo 1 . 8 No . 6 De c . 2 01 0 d o i 1 0 3 7 2 4 / S P . J . 1 2 0 1 . 2 0 1 0 0 6 0 4 6 中原地 区微 生物修复石油污染土壤 的实验研究 张 胜 , 陈 立 , 李政红 , 张翠云 , 殷 密英 , 何 马琳娜 , 宁 卓 , 张发 旺 泽 , 孙振 华 , 中国地质科学院 水文地质 环境地质研究所 , 石家庄 0 5 0 0 6 1 摘要 通过对 中原油 田石油残 留污染土壤 的微生物修复实验研究 , 利用优化原位土著微生物菌群辅以物理和化学相结 合 的修复技术 , 进行 了土壤 中石油残 留污染 的室 内模拟 降解实 验 , 实 验结 果显示 , 土 壤 中残 留石油 含量 在 1 3 4 2 0 . 0 mg / k g 、 1 0 2 2 0 . 0 mg / k g 、 8 6 6 0 . 0 mg / k g 、 时 , 经 过 5 6 d微 生物 的 降解 实 验 , 土壤 中 石油 含 量 降解 可 达 6 2 . 6 7 ~ 7 2 . 4 , 为 土壤石油残 留污染 的修复提供 了技术方法和应用的可行 性研 究。 关键词 石 油残 留污染 ; 土壤 ; 微生物修复 中图分类号 X5 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 1 6 8 3 2 0 1 0 0 6 0 0 4 6 - 0 4 Ex p e r i me nt a l S t u dy O f M i c r o bi a l Re me di a t i o n f o r Oi l Co n t a mi n a t e d S o i l i n Ce nt r a l Pl a i n s ZHANG S h e n g, CHEN Li , LI Zh e n g ho n g, Z H ANG Cu i y u n, YI N M i y i n g, H E Z e , S U N Zh e n h u a, M A I i n na , NI NG Zh u o, ZHANG Fa wa n g T h e I n s t i t u t e o f Hy d r o g e o l o g y a n d E n v i r o n me n t a l Ge o l o g y, C AGS , S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 6 1 , C h i n a Ab s t r a c t Th e l a b o r a t o r y mo d e l i ng e x p e r i m e n t s o f t h e o i l r e s i d u e p o l l u t i o n d e g r a d a t i o n i n s o i l we r e c a r r i e d o u t , whi c h u s e d t h e o p t i mi s t i c t e c h n i q u e s o f i n s i t u mi c r o b i a l c o mmun i t i e s c o mb i ni n g wi t h t h e p h y s i c a l a n d c h e mi s t r y me t h o d s a n d t h e e x p e r i m e n t a l s t u d y o f mi c r o b i a l r e m e d i a t i o n f o r o i l r e s i d u e p o l l u t i o n i n Zh o n g y u a n Oi l Fi e l d . Th e r e s u l t s s h o we d t h a t d e g r a d a t i o n r a t e c o u l d r e a c h 6 2 . 2 7 一 7 2 . 4 0 f o r o i l c o n t e n t s o f 1 3 4 2 0 . 0 mg / k g , 1 0 2 2 0 . 0 mg / k g a n d 8 6 6 0 . 0 mg / k g i n p o l l u t e d s o i l a f t e r 5 6 d mi c r o b i a l d e g r a d a t i o n , wh i c h p r o v id e d u s t h e t e c h n o l o g y a n d t h e f e a s i b i l i t y s t u d y o f t h e r e me d i a t i o n o f o i l r e s i d u e p o l l u t i o n i n s o i l . Ke y wo r d s o i l r e s i d u a 1 c o n t a mi n a t i o n; s o l l ; mi c r o b i a l r e me d i a t i o n 我 国中原地 区由于石 油资源 的长期大量 开采利用 , 产生 了一些环境问题 。尤其是 落地 原油 的污染 已影 响土壤 的质量 安全 , 特别是开采早期行成 的石油污染 , 在 土壤 中经 长期 的 自 然降解许多易挥发和易降解 的组分 均 已降解 , 土壤 中残 留的 难降解石油组分仍大量存在 , 且危害性更大 , 土壤石油污染 的 防治研究工作 已受到 人们 的广泛 重视 。J o r g e n s e n的试 验显 示 , 经 生物堆埋 , 石 油污染 的 土壤 中石油 可降低 7 1 [ 。微 生物修复技术主要机理是石油烃直接参 与了微生物的生化反 应 , 通 过代谢作用 降解土壤 中的污染 物 J 。土壤微生 物修 复 技术的开发与研究已受到 国内外学 者的广泛关注L 3 。 目前 已知能降解石油 中各种烃类的微生物共 有约 1 0 0余属 2 0 0多 种 , 它们分属 于细菌 、 放线 菌、 霉 菌 、 酵母 以及 藻类Ⅲ 1 ] 。本文 利用优化土著微生物菌群辅以物理和化 学方法相结合 的综合 修复技术 , 对土壤 中长期残 留石油污染进行降解模拟实验 , 取 得 了一些效果 。该方法具有处理方法简单 、 费用低 、 修复效 果 好 、 对 环境 影响小、 无二次污染 、 可原位治理等优点 。因此 , 本 研究为该技术 的应用提供 了技术支撑 , 具有重要 的实 际意义 。 1实验材料和方法 1 . 1 实验材 料 化 学 试 剂 Mg S O 47 H2 O、NH4 NO 3 、 C a C I 2 、 F e C 1 3 、 KH 2 P O 4 、 K2 HP O 、 K C 1 、 NH 4 2 S O 4 、C a C O3 、 N a C 1 、 可溶性 淀粉 、 蔗糖 、 乳酸 、 盐 酸、 酵母膏 、 牛肉膏 、 乙酸钠、 琼脂 、 液体石 蜡 、 石油醚 、 三氯 甲烷等均为分析纯 。 其它实验材料 新鲜 马铃薯 、 濮阳徐镇镇石油残留污染 土 样等等 。 添加剂 牛粪晾干粉碎 过 2 I n m筛 在 1 2 1 。C灭菌 3 0 mi n 。 收稿 日期 2 O 1 0 1 0 1 8 修 回日期 2 0 1 0 1 1 - 1 6 基金项 目 科技都 国际合作项 目 2 0 0 5 D F A9 0 2 0 0 ; 河南 国土厅矿 山环境治理类项 目 作者简介 张胜 1 9 5 6 一 , 男, 江苏人 , 研究员 , 从事微生物地球化学及环境地质等研究工作 。 通讯作者 张发 旺 1 9 6 5 一 , 男, 河北深州人 , 研究员 , 博士 , 从事水文地质 、 矿山环境地质研究工作 。 - 4 6 叠 态 蒜 l 境 l ∞ ∞ 技 科 . 詈 利盯 水 W 与 蛐 调 北 n 南 № 张 胜 等 中原地 区微 生物修 复石油污 染土壤 的实验研 究 实验用土壤样品采 自河南 省濮阳徐镇镇一废弃 采油井周 围, 该油井 1 9 9 6年废弃距 今 已有 十多年。样品采集从 井 口附 近表层油泥至井 口北部 2 iT I 处 , 2 I l l 处采集 表层 0 ~2 5 c m和 5 0 6 0 c m的土样 , 表层土壤 为褐色粉土土壤 , 可见有含石油 团 块。土壤下层为土黄 色粉土土壤 。表层土壤 中含有少量 2 ~5 F i l m的碎石 , 土壤湿容重为 1 . 9 6~1 . 9 9 g / c m。 ; 土壤干容重 为 1 . 6 1 ~1 . 7 2 g / c m。 。自然含 水 量 1 4 . 4 5 ~2 4 . 1 4 ; p H 为 8 . 2 7 ~8 . 9 。井 口附 近 表 层 油 泥 中 残 油 含 量 在 4 2 1 2 0 0 ~ 6 4 8 0 0 m g / k g , 井 口北 2 m外表层 O ~2 5 C N处残油含量在8 3 2 0 ~ 2 7 4 0 0 mg / k g , 混 合 平 均 后 为 1 3 4 2 0 mg / k g 。下 层 5 O ~ 6 0 c m的土样残 油含量在 2 1 . 4 mg / k g 。 实验用玻璃器皿 1 5 0 mL 、 2 5 0 mL具塞三角 瓶 , 1 2 5 mL 、 1 0 0 0 mL磨 口细 口试剂 瓶 , 各种不 同类型 的细菌培 养试管 、 培养皿 、 橡胶塞等 。 主要仪器 QZ D - 1型电磁振荡器 、 K Q2 1 8超声 波清洗器 、 生物恒温培养箱 、 高速离心机 、 高压蒸汽灭 菌器 、 无菌实验室 、 生化培养箱、 HZ 1 5 0 L恒 温 摇床 培 养箱 、 奥林 巴斯生 物 显微 镜 、 7 5 2 N 紫外可见光栅分 光光度 计、 电热干燥箱 及各 种化学 分析用玻璃仪器 。 1 . 2测 试 方 法 石油分析测试方法 为紫外 分光 光度 法。 降解石油微生物细菌培养优选方法 土壤微生物细菌培养 用 土壤微生物研究 法 口 , 和参考文 献[ 1 8 ] 一[ 2 O ] 介绍 的方 法 , 细菌初步鉴定用 常见细菌系统鉴定手册 _ 2 中的方法。 1 . 3 实验步骤 1 . 3 . 1 石 油 降解 菌 的分 离 与优选 自然界的物质循环微 生物细菌的生化作用 是非 常重 要的 一 环 , 碳 的循环也不例 外。许多细 菌就是碳循 环 的主要驱 动 因子之一 , 机理 就是在 细 菌的作 用下 , 将 碳氢 化合 物 降解为 C Oz 和 Hz 0 的整个过程 , 也是 自然界对石油污染 的 自净 功能 的生态效应 , 对土壤和地下水环境保 护具 有一定 的实际意义 。 据此用细菌 的选择性培 养基和 富集培养 基 , 对 中原油 田濮 阳 徐镇镇一废弃采油井石油残 留污染 土壤 的样品进行 菌种 、 菌 群 的培养分离 , 选 择优化 出实验用 降解 土壤 残 油的菌 种 、 菌 群 。本次实验选择优化 出的细菌初 步鉴定 主要为 假单胞 菌 属 、 微球菌属 、 放线菌属 、 真菌类 毛霉、 曲霉 等菌群。 1 . 3 . 2 土壤 残油 污染 降解 实验步骤 根据上述实验选出的降解 残油污 染的优势 菌群 , 利用 不 同的培养基对所选 出的各类 菌群进行放 大培养 。各类菌群 培 养 3 ~5 d后进行混合培养 , 继续培养 5 ~7 d 后作 为相应 的石 油烃 降解实验 。进行模拟不 同含量条件下土壤残油污染 的微 生物修 复实验 。实验装置为 2 5 0 mL具塞三角瓶。 土壤残油污染微生物降解模拟实验 , 用若 干 按实验设计 的数量 2 5 0 mL具 塞 三 角瓶 , 每 个 瓶 中加 入 1 0 0 g风干 过 2 1.2 1 m筛含有不 同残 油含量 的土壤 样 品。实 验用 土样考 虑避 免其它 因素 的影 响 , 选用 同一采 样点的样品 , 只是采集 6 0 c m 以上不 同深度含 油量不 同土样 , 进行 了一定 的配 制。不 同残 油含量的土壤样品制备如下 1号样 为采样 点表层 0 ~2 5 c m 混合均匀后 , 测残油 含量 为 1 3 4 2 0 mg / k g 。2号样 为 1号样 加入同一采样点下层 5 O ~6 0 C IT I 的土样 2 O 混合均 匀后 , 经 测试残油含量为 1 0 2 2 0 mg / k g 。3号样为 1 号样加入 同一采 样点下层 5 O ~6 0 c m 的土样 3 5 混合均 匀后 , 经测 试残油含 量为 8 6 6 0 mg / k g 。每个样品均匀接入 3 mL培养好 的菌液 , 加入 3 O mL营养 液 , 营 养液 按 培养 基 成分 比例调 控 氮 、 磷 、 钙 、 镁 、 硫 、 铁等营养元素 , 营养液 均匀加入 , 调节 试验 土层含 水量在 2 5 左右 。按 3 O℃温度 条件进 行实 验 , 一 定 的间隔 时 间取 出约 1 g左 右样品 , 5 O℃~6 O℃烘干研碎 , 分 析土壤 中石油的降解去除 的含量 。在实验中每次取样时要将剩余的 实验瓶塞打开一下约 3 ~5 mi n并 搅拌 , 以利 于氧气 进入 , 使 实验过程 中有足够的氧 , 并保持 实验装 置内土样有 一定 的含 水量 。在第 1号实验样品中为增强细菌的作用利用牛粪 晾干 粉碎过筛灭菌后作 为 添加剂 , 添加 量为 1 。该 添加 剂有 两 个主要作用 , 一是牛粪 中主要成分为未分解 的木纤维素 , 可为 改 良土壤 的膨 松剂 , 另外是其它有机成分 , 可作 为细 菌容易利 用的营养 素来 源 , 其它 实验条件 同其它 。在 一定时 间取样测 试石 油含 量的变化。 2实验结果与讨 论 不 同土壤残油含 量降解 野外 实验 , 是 在 2 0 0 9年 4月 1 6 日至 6月 1 2日进行 。考虑研 究 区地表土壤 春 、 夏 、 秋 温度一 般在 2 0。C~3 O℃左右 , 选择 了 3 0 C温度进行 实验 。实验结 果见表 1 、 表 2 。 表 1 石油残油污染土壤细菌降解残油含量 随时间变化 测试 结果 Ta b l e 1 Ti me s e r i e s o i l r e s i d u e i n t h e s o i l s a f t e r b a c t e r i u m d e g r a d a t i o n o f t h e s o i l p o l l u t e d by o i l r e s i d u e mg / k g 表 2 石油 残油 污染 土壤 细菌 降解 残油 含量 随时 间降解率结果 Ta b l e 2 De g r a d a t i o n r a t e s o f o i l r e s i d u e i n t he s o i l s a f t e r mi c r o b i a l r e me d i a t i o n o f t h e s o i l p o l l u t e d b y o i l r e s i d ue 从上述 3 个实验条件来看 差异不是很大 , 仅有两点不同 , 一 是 1号样添 加 1 %的灭菌牛粪作 为添 加剂 , 二是石 油残 油量不 同, 其它实 验条件 一样 。但是对 石油残油 的降解率还 是有影响的, 1 号样添加 了 1 的灭菌牛粪作为添加剂 , 改良了 土壤 , 另外它增加 了细菌利用 的营养来源加大了降解能力。其 石油残油量不 同, 因加入的营养量是一样 的则降解效果不同。 生 |l与 兢l .4 7. 第 8卷 总第 5 1期 南水北调与水利科技 2 0 1 0年第 6期 实验结果显示 , 微生物细菌对 土壤石 油残油污 染确有 一 定 的降解作用 。表 1 、 表 2显示 , 虽 然实验选择 了不 同的残 油 含量 的土壤进行 , 实 验效 果也有一 定 的差 异 。1号样 残油 含 量最高 , 因其加入 了 1 的添加剂牛粪 , 从测试 结果看虽然 降 解率是低 了一点 , 但在相 同其它条件下它 的降解量是最大 的, 牛粪改 良了土壤 , 增加 了细菌 利用 的营养来源加 大 了降解 能 力 。残油量 在 1 3 4 2 0 mg / k g经 5 6 d降解 率 达 6 2 . 6 7 。2 号 、 3号样因其残 油含 量不 同降解率 有一定 的差 别 , 2号样 残 油量在 1 0 2 2 0 mg / k g经 5 6 d降解率达 6 3 . 8 9 。3号样残油 量在 8 6 6 0 mg / k g经 5 6 d降解率达 7 2 . 4 O 。从 2号、 3号实 验结果看 , 在相 同实验条件下残油含量越低降解效果越好 , 其 原 因是微生物细菌在 同等条件下所 利用 的营养资 源量不 同。 从整个实验看土壤 中因石 油的长期 残 留污染 , 易 降解 的石 油 组分早 已自然降解 , 残 留的组分是 较难 降解 的有一 部分是很 难降解的 , 如沥青等组 分 。本次实 验结果 同前期 的降解 实验 结果对 比也有很大的差异 , 前期实 验是用 的新鲜原 油加入实 验体系 中, 一 般在相 同条件 3 0 d可使石 油 降解 率达 8 5 ~ 9 5 以上 。而本次实验 是在 5 6 d实验 , 时 间延长 了近一 倍 , 残油的降解也 只有 6 2 . 6 7 ~7 2 . 4 , 也就 是说 石油污 染土 壤 中的残油确实较难降解 。但 是 , 只要是将 实验条件 和微生 物菌群优化选择好 , 其残油降解还是有较好的效果 , 从 3 组实 验结果也得到了相互验证。 天然土壤 中含有丰富 的微 生物 , 具 有潜在 的降解石 油污 染物的能力。且可降解石油 的细菌在多年连续 的污油 中不断 驯化 , 具有较强 的降解石 油污染 物 的潜力 。采用投加从 原来 土著体系中筛选出的微生物 进行生物 强化 , 能克服 其他外源 菌所面临的存 活力较弱 、 与土著微 生物之 间可能存 在竞争关 系等一系列问题 , 且这种 生物强化 技术操作 简便 , 实用性 强 , 在生物修 复方面具 有较 广阔的应用前景 。石油是 由上千种化 学性质不同的物质组成 的复 杂混合物 , 用单 种微生物 细菌很 难将 其彻底 降解 , 目前在石油污染的生物处理上 , 越来越多 的 国内外学者采用细菌菌群进 行生 物处理 。如何 能消 除菌群 种间的抑 制作用 , 构建 出优 势混合 菌群是 目前菌群研究 所要 解 决 的 一 个 问 题 , 也 是 本 实 验 研 究 的 目 的 之 一 。本 次 实 验 通 过对石油残油污染 土壤 微生 物修复方法 的模拟 实验研究 , 利 用优化原位土著微 生物 菌群辅 以物理 和化学方法相结合 的修 复技术 , 进行了实验温度 、 水 、 氧气 、 营养元 素等 的调控 , 对土 壤中残油的降解 实验 , 实验 验证 了微 生物修 复技术在 土壤石 油残 油污染 降解 的有效性 和应用 的可行性 。为野外原位试验 提供 了经验 , 奠定了基础 , 积 累了技术 。 3 结 论 通过上述降解实验 , 微生物细菌对土壤石油残油污染 的修 复是有较好的降解作用 。虽然实验样 品土壤石油残 油含量不 同, 实验效果还是有一定的差异 。1 号样利 用牛粪晾干粉碎作 为添加剂 , 增加了细菌 的营养来源 , 增大 了去除效 果。2号 、 3 号样在同等实验条件下残油含量低 降解效果好 , 得到 了相互验 证 的效果 。从 整 个实 验过 程可 得出土 壤 中石油 残 油含 量在 1 3 4 2 0 mg / k g 、 1 0 2 2 0 m g / k g 、 8 6 6 0 m g / k g 、 时, 经 过 5 6 d微生 . 4 8. 董 H 焉 兢 物降解实验 , 土壤 中石油残油含量降解可达 6 2 . 6 7 、 6 3 . 8 9 、 7 2 . 4 O , 为土壤石油残油污染 的修 复提供 了技术方 法和应用 的可行性 。验证 了本次实验调控添加 的营养元 素和对土壤环 境的改善是比较适度的 , 方法是可行 的。具有处理 方法简单 、 费用低 、 修复效果好 、 对环境影 响小 、 无二次污染、 可原位修复 等优 点。虽然是实验研究 , 用于野外大面积修复还 有待完善 , 但通 过不 断努力是 可以实现 的, 是具有较好的应用价值 。 参考文献 [ 1 ] J o r g e n s e n K S , P u u s t i n e n J , S u o r t t i A , L B i o r e me d i a t io n o f P e t r o l e u m H y d r o c a r b o n Co n t a m i n a t e d S o i l b y Co mp o s t i n g i n Bi o p i l e s [ J ] . 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Sc r e e n i n g a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f b e n z e n e de g r a ding ba c t e r i u m i n o i l c o n t a mi n a t e d s o i l [ J ] . J o u r n a l o f Ag r o E n v i r o n me n t Sc i e n c e , 2 0 0 6, 2 5 6 1 4 9 8 1 5 0 3 . i n Ch i ne s e [ 1 1 ] 郑金秀 , 彭祺 , 张 甲耀 , 等. 优势降解菌 群生物强化修 复石油污 染 土壤 [ J ] . 农 业 环 境 科 学 学 报, 2 0 0 6 , 2 5 5 1 2 1 2 1 2 1 6 . ZHENG J i n x i u, PENG Qi , Z HANG J i a y a o, e t a 1 . Bi o r e me d i a t i o n o f o i l c o n t a mi n a I e d s o i l b i o a u gme nt e d wi t h c o n s o r t i u m b a c t e r ia [ J ] .J o u r n a l o f A g r o E n v i r o n me n t S c i e n c e , 2 0 0 6 , 2 5 张 胜等 中原地 区微 生物修 复石油污染土壤 的实验研 究 5 1 2 1 2 1 2l 6 . i n Ch i n e s e [ 1 2 ] 马宝瑞 , 赵敏 , 张景飞. 假单胞菌 D S - Ⅲ的脱氢酶活性 与石油烃 降解 动力学 特性 [ J ] . 农 业环 境科 学 学报 , 2 0 0 7 , 2 6 2 5 5 9 5 6 2 . M A Ba o r u i , ZHA0 Mi n, Z HANG J i n g f e i . De h y d r o g e n a s e a c t i v i t y o f p s e u d o mo n a s DS 。 1/I a n d i t s d e g r a da t i o n c a p a b i l i t y f o r h y d r o c a r h o n [ J ] . J o u r n a l o f A g r o E n v i r o n me n t S c i e n c e , 2 0 0 7, 2 6 2 5 5 9 5 6 2 . i n Ch i n e s e [ 1 3 2 张胜 , 陈立 , 张发旺, 等. 西北黄 土区石油污 染土壤原位 微生物 生态修复试验研 究, 微生 物学通报 [ J ] . 2 0 0 8 , 3 5 5 7 6 5 7 7 1 . ZHANG S h e n g, CH EN Li , ZHANG Fa wa n g, e t a 1 .Ex p e r i me nt a l S t u d y o f i n s i t u M i c r o b i a l Ec o l o g i c a l Re me d i a t i o n f o r Oi l C o n t a mi n a t e d S o i l i n N o r t h w e s t e r n L o e s s Re g i 。 n [ J ] . I n s t i t ut e o f M i c r o b i o l o g y, 2 0 0 8, 3 5 5 7 6 5 7 7 . i n Ch i n e s e [ 1 4 ] 张胜, 毕二平 , 陈立 , 等. 微生物修复石 油污染地 下水的实验研 究 [ J ] , 现 代地 质, 2 0 0 9 , 2 3 1 1 2 0 1 2 4 . Z HANG S h e n g , B I Er p i n g, CH EN Li , e t a 1 . Ex pe r i me n t a l S t u dy o n M i c r o b i a l Re me d i a t i o n o f P e t r o l e u m P o l l u t e d G r o u n d wa t e r J ] . Ge o s c i e n c e , 2 0 0 9, 2 3 1 l 2 O l 2 4 . i n Ch i n e s e [ 1 5 ] 张胜, 陈立 , 张发旺 , 等. 陕北黄土区石油污染土壤 原位微生态修 复试验 研 究 [ J ] . 农 业 环境 科 学 学 报, 2 0 0 8 , 2 7 5 . Z HAN G S h e n g , CHEN Li , ZHANG Fa wa n g, e t a 1 . Ex p e r i me n t a l S t u d y o n I r r S i t u Mi c r o - e c o l o g i c a l Re me d i a t i o n f o r Oi l Co n t a mi n a t e d S o i l i n L o e s s R e g io n o f No r t h S h a a n x i P r o v i n c e [ J ] . J o u r n a l o f A g r o - E n v i r o n me n t S c i e n c e, 2 0 0 8 , 2 7 6 2 2 0 0 2 2 0 5 . i n Ch i n e s e [- 1 6 ] 张胜 , 陈立 , 毕二平 , 等. 石油污染黄土 土壤 的微生 物修复实验 研究[ J ] . 南水北 调与 水利科 技 , 2 0 0 8 , 6 6 6 1 6 3 . Z HANG S he n g, CH EN L i , B1 Er p i n g, e t a 1 . Ex p e r i m e n t a l St u d y o n M i 一 上 接 第 3 5页 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O ] c r o b i a l Re m e d i a