CC BY
25Экология и системы жизнеобеспечения
УДК 663.18:665.6.033.25 А.В. Егорова1, В.Н. Мамонтова2, И.А. Афти3,
В.А. Никифоров4, М.И. Янкевич5, З.А. Жаковская6
БАКТЕРИАЛЬНАЯ
ДЕГРАДАЦИЯ
ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ
АРОМАТИЧЕСКИХ
УГЛЕВОДОРОДОВ
В ГОРОДСКИХ ПОЧВАХ
Введение
В настоящее время для очистки и восстановления территорий с техногенным загрязнением начинают широко использоваться методы биоремедиации и фиторемедиации, основанные на применении нового поколения биопрепаратов-деструкторов органических токсикантов и растений-ремедиантов, способных к гипераккумуляции ионов металлов и радионуклидов
Одним из важнейших классов опасных загрязнителей являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). В городской среде источники поступления ПАУ можно разделить на два вида: топливно-энергетический комплекс, автотранспорт. Являясь стойкими органическими загрязнителями (СОЗ) ПАУ плохо поддаются естественной деградации в почве. Данные соединения относятся к главным токсикантам окружающей среды: как по списку Европейского сообщества (ЕС), так и по списку Агентства по охране окружающей среды США (ЕПА), где для данных соединений были введены ПДК. В России существует норматив лишь для бенз[а]пирена. Так, в почве его максимальная концентрация не должна превышать 0,02 мг/кг [1]. В Нидерландах соответствующая норма составляет 0,052 мг/кг [2], в Дании она равна 0,1 мг/кг [3]. Опасность накопления ПАУ в почве заключается в том, что через почву они попадают в растения, которые съедают животные, а после с мясными и молочными продуктами они попадают в организм человека. Таким образом, в организм человека в России в год может поступать 1-2 мг/кг бенз[а]пирена, и это только с продуктами питания [4]. Поэтому разработка и применение биоремедиационных технологий очистки почв от этой группы высокотоксичных загрязнителей, особенно для городских территорий, по-
Отдел натурных эколого-химический исследований, Научно Исследовательский Центр Экологической Безопасности, Российской Академии Наук, Санкт-Петербург, ул. Корпусная, д. 18, Биотехнологический отдел ООО «НПК «ИЛМА ЭКО», Санкт-Петербург, наб. Обводного канала, д. 150
Проведенные исследования показали эффективность использования новационного биопрепарата на основе ассоциации микроорганизмов для биоремедиации почвы, загрязненной полициклическими ароматическими углеводородами. Рассмотрены основные типы источников этих загрязнений.
Ключевые слова: полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), биоремедиация, почва, микрооргазны-нефтеде-структоры, профиль ПАУ, доминирующий источник поступления ПАУ.
зволит создать в городе более благоприятную экологическую и санитарно-гигиеническую обстановку.
В нашем исследовании проведен анализ шестнадцати ПАУ в образцах городской почвы г. Санкт-Петербург, охарактеризованы основные источники поступления ПАУ в данный участок городской территории и проведено изучение возможности биоремедиации почвы, загрязненной ПАУ (садово-парковая почва), ассоциацией трех культур-деструкторов.
Материалы и методы
Для исследования были взяты образцы почвы из сквера около железнодорожной станции Володарская (Санкт-Петербург), отобранные в поверхностном слое 0-20 см. Процедура экстракции ПАУ проводилась по методике М-МВИ-202-07 [5]. Пробы грунта анализировались методом хромато-масс-спектрометрии (ХМС). Анализ экстрактов почвы в целевом режиме проводился на хрома-то-масс-спектрометре фирмы Shimadzu QP-2010. Количественное определение ПАУ осуществлялось с помощью раствора внутреннего стандарта (2-фторнафталина) и стандартной калибровочной смеси «Supelco - 8270/625/ CLP SemivolatileCalib. Mix.», содержащей в своем составе 16 индивидуальных ПАУ. Для исследования био-ремедиации почвы ассоциацией микроорганизмов три образца почвы поместили в полипропиленовые колонки диаметром 10 см. Толщина слоя в каждой из них составляла 45 см. Две из них были обработаны суспензией клеток из трех бактериальных культур Shinella granuli, Pseudomonas ginsegisoli и Rhodococcus qingshengii, выделенных из почв, загрязненных креозотом. В процессе аэрирования в загрязненном грунте делались проколы, в
1 Егорова Анастасия Валерьевна, мл. науч. сотр. отд. натурных эколога-химических исследований НИЦЭБ РАН, аспирант каф. технологии микробиологического синтеза СПбГТИ(Ту), e-mail: diekerze54@gmail.com
2 Мамонтова Варвара Николаевна, науч.сотр. отд. натурных эколога-химических исследований НИЦЭБ РАН, e-mail: varvara.mamontova@gmail.com
3 Афти Ирина Анатольевна, начальник биотехнологического отдела ООО «НПК «ИЛМА ЭКО», e-mail: aftirina@yandex.ru
4 Никифоров Владимир Александрович, канд. хим. наук, зав. лабораторией изучения процессов миграции форм экотоксикантов в окружающей среде НИЦЭБ РАН, e-mail: vovanikiforov@yahoo.co.uk
5 Янкевич Марина Ивановна, д-р. биол. наук, директор по развитию ООО «НПК «ИЛМА ЭКО», e-mail: iankevich@yandex.ru
6 Жаковская Зоя Андреевна, канд. биол. наук, зав. отделом натурных эколого-химических исследований НИЦЭБ РАН, e-mail: zazhak@hotmail.com Дата поступления - 7 ноября 2013 года
которые подавали воздух, для этого в образец на глубину 40 см помещали трубки диаметром 5 мм. Аэрирование осуществляли в течение 8 ч в сутки, 5 дней в неделю, в образец закачивали около 30 л воздуха в час. Кислород, закачиваемый в загрязненный грунт, ускорял разложение нефтепродуктов под действием микроорганизмов, а также переносил загрязнения из нижних слоев в верхние, где происходили более интенсивные микробиологические процессы разложения.
Для отбора объединенных проб грунт вынимали (2 раза - на 30-й и 60-й день эксперимента), усредняли его и закладывали обратно в цилиндр, что приводило к дополнительному аэрированию образцов.
Внесение клеток микроорганизмов и питательных веществ осуществлялось 3 раза (в 1-й, 30-й и 60-й день эксперимента) через пластиковые трубочки, через которые осуществляли аэрирование грунта. Микроорганизмы вносились в виде культуральной жидкости в количестве 10 мл с клеточным титром 108-109 КОЕ/мл
Концентрации веществ в исходной пробе грунта, установленные методом ХМС, представлены в таблице 1.
Таблица 1. Концентрация ПАУ в исходной пробе грунта
Таблица 2. Расчет отношений индивидуальных ПАУ [6,7,8,9,10,11,12].
Наименование ПАУ Исходная концентрация, мкг/кг
Нафталин 166
Аценафтилен 78
Аценафтен 11
Флуорен 131
Фенантрен 474
Антрацен 40
Флуорантен 416
Пирен 466
Бенз[а]антрацен 94
Хризен 48
Бенз[Ь]флуорантен 84
Бенз[к]флуорантен 16
Бенз[а]пирен 80
Индено[1,2,3-^]пирен 9
Дибенз[а,И]антрацен 5
Бенз[дД1]перилен 21
Ключевые индикаторные отношения ПАУ Пирогенный Значения показателей по типу источника Значения индикаторных отношений в исходном образце Заключение об источнике
Петроген-ный
Фен/Ан < 10 1050 12,00 петрогенный
Ан/(Ан+Фен) > 0,10 < 0,10 0,08 пирогенный
Фл/П > 1 0,30-1,00 0,89 пирогенный
Фл/(Фл+П) > 0,5 < 0,50 0,47 пирогенный
Бан/(Бан+Хр) > 0,35 < 0,20 0,66 петрогенный
Тип источника поступления ПАУ пиролитической природы
Передвижной Стационарный
Б[а]П / Б[дЫ]П* 0,2-0,6 > 0,8 3,81 стационарный
Примечание: * - концентрационные отношения бенз[а]пирена и бенз[д^,^перилена
Изучаемые полициклические ароматические углеводороды были сгруппированы по числу ароматических колец в структуре ПАУ и для каждой из групп построен график (рисунки 1-4) динамики деградации в течение трехмесячного эксперимента. Для бенз[а]пирена был построен индивидуальный график биодеструкции (рисунок 5), поскольку данный представитель ПАУ является наиболее токсичным и единственным, нормируемым в РФ.
Как видно из результатов, представленных в таблице 1, в пробах грунта доминируют такие представители ПАУ, как фенантрен, флуорантен, пирен. Их общая концентрация составляет ~ 63% от суммарной концентрации ПАУ в представленном образце. Так же наблюдается высокое содержание бенз[а]пирена - 80 мкг/кг, т.е. наблюдается четырехкратное превышение допустимого уровня содержания этого токсиканта.
Для определения доминирующего источника полициклических ароматических углеводородов и типа этого источника используются эмпирические ключевые индикаторные отношения ПАУ (таблица 2).
Из полученных результатов можно заключить, что однозначно доминирующего типа источника поступления ПАУ в городскую почву не выявлено. Таким образом, и пирогенные, и петрогенные источники вносят сопоставимый вклад в поступление и аккумулирование ПАУ в данных образцах почвы, что также характерно для городских почв.
Относительно типа пирогенного источника, значение соотношения Б[а]П /Б[дМ]П = 3,81 свидетельствует о доминирующем воздействии стационарного источника поступления ПАУ в окружающую среду К этому типу источников в городской среде относятся теплогенериру-ющие комплексы, крупные и мелкие отопительные системы.
Деструкция ПАУ в почве ассоциацией бактериальных культур Shinella granuli, Pseudomonas ginsegisoli и Rhodococcus qingshengii.
Рисунок1. Суммарная концентрация 3-х ядерных ПАУ: с аэрированием; без аэрирования
Pucvhok2. Суммарная концентрация 4-х ядерных ПАУ: с аэрированием; НЗН- без аэрирования
РисунокЗ. Суммарная концентрация 5-ти ядерных ПАУ: с аэрированием; без аэрирования
Время, мес.
Рисунок4. Суммарная концентрация 6-ти ядерных ПАУ: с аэрированием; без аэрирования
Рисунок 5. Изменение концентрации бенз[а]пирена: с аэрированием; без аэрирования
Расширенная неопределенность измерений соответствует границам относительной суммарной погрешности 15% при доверительной вероятности Р = 95.
Как показывают результаты, представленные на рисунках 1-4, уже спустя месяц после обработки клеточной суспензией, концентрация ПАУ, имеющих в своей структуре три ароматических кольца, в аэрированной пробе уменьшилась на 90% от исходного значения, в то время как в неаэрированной пробе это значение уменьшилось на 80%. На третий месяц проведения эксперимента концентрация ПАУ в обеих пробах уменьшилась на 98 %, хотя на второй месяц еще сохранялась разница в 10% между этими значениями. Остаточная концентрация трехъядерных ПАУ составила 2%.
В случае с четырехъядерными ПАУ спустя первый месяц наблюдалась деструкция изучаемых соединений на 73% и 60% в аэрированной и неаэрированной пробах соответственно. К окончанию второго месяца суммарная концентрация ПАУ стала равной 9% и 13% от исходного значения в аэрированной и неаэрированной пробах, а на момент окончания эксперимента значение суммарной концентрации ПАУ в обоих образцах оказалось практически одинаковым, составив 6% и 9% в соответствующих пробах.
С увеличением количества ароматических колец наблюдается замедление процесса деструкции. Так, спустя месяц после начала эксперимента, суммарная концентрация пятиядерных ПАУ снизилась лишь на 47% и 36% в аэрированной и неаэрированной пробах, соответственно. Однако, ко второму месяцу эксперимента эти значения снизились до 14% и 24%. К третьему месяцу скорость процесса биодеструкции была выше чем в случае с четырехъядерными молекулами, и составила 5% в аэрированной и 6% в неаэрированной пробах.
Точно так же ведет себя и бенз[а]пирен, чья концентрация, спустя месяц, снизилась на 52% и 62% в аэрированной и неаэрированных пробах, соответственно, а на момент окончания эксперимента составила 4% от исходного значения в обеих пробах. На момент окончания эксперимента концентрация бенз[а]пирена составила 0,00331 мг/кг (исходная концентрация соединения в образцах грунта была равной 0,0796 мг/кг, в то время как его допустимая предельная концентрация в почве равняется 0,02 мг/кг). Этот результат особенно важен тем, что открывает перспективы практического применения изучаемой ассоциации в качестве препарата биодеструктора ПАУ. Таким образом, показана принципиальная возможность биоремедиации сильнозагрязненной почвы за один сезон.
Деструкция шестиъядерных ПАУ, как и ожидалось, проходила несколько медленнее. Суммарная концентрация спустя месяц после начала проведения эксперимента снизилась на 37% и 20% от исходного значения в аэрированной и неаэрированной пробах, соответственно. Спустя два месяца после начала эксперимента это значение снизилось на 80%.
Выводы
1. Анализ соотношений концентраций индивидуальных ПАУ в исследованном образце почвы указывает на смешанный характер загрязнения. При этом пироген-ные источники - преимущественно стационарные.
2. Показано, что внесение в почву ассоциации бактериальных клеток Shinella granuli, Pseudomonas ginsegisoli и Rhodococcus qingshengii приводит к снижению концентрации такого представителя ПАУ как бенз[а] пирен на 52% и 62% в аэрированной и неаэрированных пробах за 1 месяц и на 96% за 3 месяца в обеих пробах. Аналогичная эффективность была показана и в отношении прочих ПАУ. Исследуемая ассоциация трех бактериальных культур является эффективным биодеструктором полиароматических углеводоров.
Литература
1 ГН 2.1.7.2041-06: Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве.. Рег № 7470 от 07.02.2006 Минюст РФ.
2. Verbruggen E.M.J., Posthumus R., Van WezelA.P. Ecotoxicological Serious Risk Concentration for soil, sediment and (ground) water : updated proposals for first series of compounds.: Rivm (rijksinstituut voor volksgezondheid en milieu national institute of public health and the environment). Report 711701 020, 2001.
3. Brasser L.J. Polycyclic aromatic hydrocarbon concentrations in the Netherlands. // VDI-Berichte. 19B0. N. 34B. P. 171-1B0.
4. Майнстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1996. 320 с.
5 М-МВИ-202-07: Методика выполнения измерений массовой доли полиядерных ароматических углеводородов (ПАУ) в пробах почвы, донных отложений и твердых отходов методом хромато-масс-спектрометрии с изотопным разбавлением. РФ.1.31.2011.09357. [Электронный ресурс]. ВНИИМ, 2009-2014. Режим доступа: http://fhi. vniim.ru/, свободный (дата обращения 03.10.2012).
6 Бродский Е.С., Лукашенко И.М., Калинкевич Г.А., Савчук С.А. Идентификация нефтепродуктов в объектах окружающей среды с помощью газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии. // Журн. аналит. химии. 2002. Т. 57. № 6. С. 592-596.
7 Суздорф А.Р., Морозов С.В., Кузубова Л.И., Ан-шиц Н.Н., Аншиц А.Г. Полициклические ароматические углеводороды в окружающей среде: источники, профили и маршруты превращения. // Химия в интересах устойчивого развития. 1994. Т. 2. №2-3. С. 511- 540.
8 Edelgaard I., Larsen P.B., Ladefoged O., Jensen J.. Human Bioaccessibility of Heavy Metals and PAH from Soil. Copenhagen: Danish Environmental Protection Agency (DEPA), 2003. 176 р.г
9 Hooper M.A., Body P.J., Hooper B.M. Coal Liquefaction: Atmospheric Impacts: A Final Report to the Coal Corporation of Victoria., Australia: Gippsland Centre for Environmental Science, Monash University, 1993.
10 Khalili N. R., Scheff P. A., Holsen T. M. PAH source fingerprints for coke ovens and gasoline engines, highway tunnels and wood combustion emissions. // Atmos. Environ.. 1995. N 29(4). P. 533-542.
11 Mainwaring S. J., Stirling D. M. A study of the size distribution and concentrations of polynuclear hydrocarbons in Melbourne air. // Proceedings of the 7th International Clean Air Conference, Adelaide, Ausralia August 24-28, 1981. K.A. Webb and A. J. Smith (Eds.), Ann Arbor Science. 1981. P. 605-622.
12 Yunker M.B., Snowdon L.R., Macdonald R.W. Polycyclic aromatic hydrocarbon composition and potential sources for sediment samples from the Beaufort and Barents seas. // Environmental Science Technology. 1996. N 30. P. 1310-1320.
