Field-based oil depletion processes in temperate and Arctic seawater

Bruk av dispergeringsmidler er en av flere metoder for å bekjempe oljesøl i marine farvann. Når dispergeringsmiddelet påføres oljen vil denne danne små dråper med nøytral flyteevne i sjøvannet, og mye av oljen vil derved forsvinne fra vannoverflaten og ned i vannsøylen, samtidig som at oljen fortynnes ut i vannet. Disse prosessene vil også medføre at mikrober i vannmassene kan bryte ned oljen mer effektivt enn når den flyter på sjøoverflaten som oljeflak. For å kunne forutse oljens spredning og skjebne ved et oljesøl, benyttes modellverktøy, bla. OSCAR. Her inngår biodegradering som en av flere prosesser som bestemmer oljens skjebne i vannmassene. I denne modellen beregnes biodegradering for en rekke grupper av oljekomponenter, som til sammen utgjør opptil 70-80% av oljen. Det har de senere år vært utført en rekke biodegraderingsforsøk ved SINTEF for å forbedre datagrunnlaget i OSCAR modellen. Disse har stort sett vært utført med naturlig lokalt sjøvann fra Trondheimsfjorden som kilde for oljedegraderende bakterier. I tillegg har det vært utført studier også med vann fra arktiske miljøer (Svalbard og Grønland) som indikerer at vannkilden kan være viktig for biodegraderingsdataene. I dette prosjektet skal det derfor utføres feltforsøk i ulike lokaliteter for å vurdere effekten av vannkilde på biodegraderingshastigheter av oljefraksjoner. Samtidig har andre prosesser som fotooksydasjon (degradering forårsaket av sollys) og utløsing av vannløselige oljekomponenter blitt vurdert for å skille de ulike prosesser. I dette prosjektet har det blitt etablert systemer der oljen har blitt festet som film på hydrofobe overflater (adsorbenter), og systemene har blitt satt ut på ulike lokaliteter langs norskekysten og på Svalbard. Vi har samarbeidet med tilsvarende prosjekter på Grønland (ledet av Arktisk Forskningssenter ved Universitetet i Århus) og i Canada (ledet av National Research Center of Canada). Vi har dermed fått relevante data fra en rekke lokaliteter i det Nordlige Atlanterhavet og i Arktis. I 2020 ble det utført 4 feltforsøk, to i Trondheimsfjorden og to i Nord-Norge (sommer- og vinterforsøk i Fiskebøl i Vesterålen). Disse forsøkene ble utført både som lys- og mørke-eksponerte forsøk for å studere mulige interaksjoner mellom fotooksydasjon og biodegradering. To 2-måneders feltforsøk ble utført på Svalbard i 2021 (juni-august) og i 2022 (februar-april), også med lys- og mørke-eksponerte systemer, og i samarbeid med Polarinstituttet i Longyearbyen. I 2021 og 2022 har for øvrig arbeidet vært konsentrert om prøve-ekstraksjoner og analyser, databehandling, av prøvene både fra feltforsøkene i 2020 og 2021/2022. Dette arbeidet har omfattet både kjemiske analyser (oljeanalyser for karakterisering av oljekomponentenes degradering), og mikrobielle analyser (ekstraksjoner av DNA og karakterisering av mikrobielle samfunn assosiert med biodegradering av definerte grupper av oljekomponenter). Forsøkene har dessuten vært koblet opp til pågående feltstudier utført for norske oljeselskaper, samt forsøk utført som del av det kanadiske MPRI programmet. I 2022 har det dessuten vært jobbet med publisering, og det første av 3 planlagte manuskripter er sendt inn for publisering.

In this project we have achieved the following outcomes: 1) We have compared two biodegradation field systems and concluded that one of these proved better than the other for determination of oil biodegradation 2) By using the better of these two systems, we have collected oil biodegradation data from different field localities which will be used for strengthening the OSCAR model and make it more robust, mainly for cold seawater. This has been done by comparison of the field data gathered in this project with previously collected biodegradation data from laboratory studies 2) We are currently working in the aftermath of the project on what extent components like geography, season, light conditions, and microbial communities will have on oil degradation, ans we also trying to separate processes like biodegradation and photooxidation by comparison of results from light-exposed and 'dark' systems. 3) Based on the final data from the project, decisions will be made on what type of fate data should be included in the OSCAR model (generic or site-specific) 4) The project has improved the understanding of interactions between fate processes (biodegradation, photooxidation, dissolution), particularly with respect to which oil compound groups are subject to the different degradation processes. This is still work that will be continued in the aftermath of the project 5) We have strengthened international trans-Atlantic collaboration on oil spill fate research, which opens up for further collaboration in years to come. We believe the project outcome have and will contribute to a sustainable environment by improving data input for oil spill models. These models are used for predictions of the environmental impacts of oil spills and to decide on oil spill preparedness/response tools to reduce these impacts as much as possible in vulnerable environments. This will be of particular importance in cold seawater/the Arctic and can be relevant both to spills of crude oil and fuels.

Oil spill preparedness, e.g. the use of dispersants, includes the use of numerical models to predict the fate of the spilled oil, and for decisions on the use of oil spill response (OSRs) methods for environmental impact reductions. One such predictive model is the OSCAR model, which is used today as an industry standard for oil spill contingency planning on the Norwegian Continental Shelf (NCS). This model includes biodegradation rates of 25 oil compound groups, based on data from laboratory studies. However, comparison to real field data is highly needed to decide if factors like geography, season, water depth, and other local environmental conditions, will affect the depletion processes significantly, in particular biodegradation. In collaboration with the Canadian MPRI program, in situ microcosm field systems (systems already established), based on oil immobilization to solid matrices, will be deployed in seawater on locations along the coasts of the North Atlantic and Arctic Oceans. Microcosms will be deployed along the temperate and Arctic coasts of East Canada (National Research Council of Canada) and Greenland (Arctic Research Centre), financed by MPRI, while SINTEF will establish and deploy microcosms for the NCS in temperate and Arctic waters, including both winter and summer seasons, and in near-surface and subsurface seawater. Microcosms will be deployed in both pristine and previously oil-exposed seawater. Rates of oil compound dissolution, photooxidation, and biodegradation will be differentiated in the different localities, water depths and seasons, as parts of the fate processes. Biodegradation of oil compounds/oil compound groups will be related to successions of oil-degrading microbes and genes associated with the degradation in the different environments. The field data will be compared to existing data from laboratory studies, for possible model calibration, and to determine the potential effects of dispersants on oil biodegradation in these environments.