biodegradácia perzistentných organických polutantov (pops) · micrococcus varians pix: 0.040809...

Biodegradácia perzistentných organických Biodegradácia perzistentných organických

polutantov (POPs)polutantov (POPs)Biodegradácia, sorpcia a toxicita chlórfenolovBiodegradácia, sorpcia a toxicita chlórfenolov

Ing. Zuzana Sejáková

Vedúci práce : Doc. Ing. Katarína Dercová, PhD.

Dizertačná práca

Biodegradácia v kvapalnom médiu

Praha AV ČR

Toxicita

Sorpcia

Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách

Charakteristika bakteriálnych izolátov

Stres prostredia

ChlórfenolyChlórfenolyZdroje kontaminácie Zdroje kontaminácie antropogénnehoantropogénneho pôvodu:pôvodu:Herbicídy, fungicídy, insekticídyLepidlá, chemické bielenie chlórom, tepelné spracovanie uhlia

ChlórfenolyChlórfenoly neantropogénnehoneantropogénneho pôvodu:pôvodu:2,6 2,6 –– dichlórfenoldichlórfenol: feromón kliešťovPCP – lesné požiare

PCPPCPTechnická zmes PCP:Technická zmes PCP: 85% PCP, 4 – 8 % TCP, 2 – 6% nižšie CP, 1 % chlórované dibenzo-p-dioxíny, chlórované dibenzofurány

mono pentaCPlog KOW

pKa

2 5

9 5

Rozpustnosťv H2O (g/l) (25 oC)

28 2

Akútna expozícia:Akútna expozícia: poškodenie centrálnej nervovej sústavyChronická expozícia:Chronická expozícia: poškodenie reprodukčnej sústavy, pečene, obličiek, karcinogénne účinky

Mikrobiálna degradácia CPanaeróbna (sedimenty)aeróbna (pôda, voda)kombinovaný postup

-kľúčová reakcia – dechlorácia-prednostné odstraňovanie chlórov v -orto a -para polohách-metanogénne konzorciá (odpadové vody, sedimenty, pôda)-nedochádza k úplnej dechlorácii (hromadia sa di-CP, tri-CP, tetra-CP)

Anaeróbna biodegradácia

Kmene degradujúce mono- a dichlórfenoly (štiepenie dechlorácia)Kmene degradujúce tri-, tetra- a pentachlórfenoly (dechlorácia

štiepenie)

AerAeróóbna biodegradbna biodegradááciacia

medziprodukty:medziprodukty:--chlórovaný katechol (mono – di CP)-chlórovaný hydrochinón (tri – penta CP)Ako medziprodukty sme stanovili: Ako medziprodukty sme stanovili: monomono -- tri CPtri CP

Dizertačná prácaDizertačná práca


Praha AV ČR

Toxicita

Sorpcia



Stres prostredia

Použité mikroorganizmy

%HDRMicrococcus varians

Pix: 0.040809 µmSign: Kozánková

Mag: 10000HV: 15 kV

Zoom: 1.00 %

%HDRAlcaligenes xylosoxidans

Pix: 0.040809 µmMag: 10000HV: 15 kV

Zoom: 1.00 %

%HDRPseudomonas stutzeri

Pix: 0.040809 µmMag: 10000HV: 15 kV

Zoom: 1.00 %

%HDRCommamonas testosteroni

Pix: 0.040809 µmMag: 10000HV: 15 kV

Zoom: 1.00 %

Zbierkový kmeň :Micrococcus varians CCM 2253 (G±)Izoláty :z Chemko Strážske- pôda kontaminovaná PCB

Alcaligenes xylosoxidans (G-)Pseudomonas stutzeri (G-)

z ČOV kontaminovaná TCEComamonas testosteroni CCM 7350 (G-)mutant C. testosteroni VM

z pôdy kontaminovanej ropnými produktmiComamonas terigena N3H




Toxicita

Sorpcia

Praha AV


Stres prostredia

Testy Testy toxicitytoxicity-- meranie IDmeranie ID5050

Podľa: druhu testovacieho organizmu, doby expozície a koncentrácietoxickej látky

Merania ID50 z rastových kriviek baktériíLumistox (VÚVH)

PCP

0,00,20,40,60,81,01,2

0,0 20,0 40,0 60,0t (h)

A 6

20

0,010,050,10,150,2K

>500 >5001103,9

0

100

200

300

400

500

Fenol 2-CP 3-CP 4-CP 3,5-CP 2,3-CP 2,4-CP 2,5-CP 2,6-CP 2,4,5-CP 2,4,6-CP P CP

Micrococcus variansAlcaligenes xylos oxidansComamonas tes tos teroni RFComamonas tes tos teroni VMVibrio fis cheriComamonas terigena N3H

HODNOTY ID50




Toxicita

Praha AV

Sorpcia


Stres prostredia

-prvé miesto kontaktu bakteriálnej bunky a okolia - kontaminantu ŽP – bunkovámembrána – pravdepodobná zmenafluiditfluidityy membrmembráányny – (TL, MK), adaptačné mechanizmy

-desaturázy sa nachádzajú v membráne-zmena sposobená prídavkom PCP a PAH

Stres prostredia- merané počas inžinierskeho štúdia

kys. palmitolejová

kys. olejová

kys. linolová

kys. stearová

16:0 18:0

18:2

18:116:1D12

D9

Predpokladanáinhibícia desaturáz

kys. palmitová

EL

Micrococcus varians – CCM 2253(Dercová, Čertík a kol., 2004)

C 1 6 :0

01 02 03 0

4 05 06 07 0

c o n tro l PCP 0 PCP 3 2 ,4 -CP 0 2 ,4 -CP 3

(%)

CLNLPCPE

C 1 8 :0

0

1 02 0

3 04 0

5 06 0

7 0

c o n tro l PC P 0 PC P 3 2 ,4 -CP 0 2 ,4 -CP 3

(%)

CLNLPCPE

C 1 6 :1

0

5

1 0

1 5

2 0


(%)

CLNLPCPE

C 1 8 :1

0

5

1 0

1 5

2 0


(%)

CLNLPCPE

C 18:2

0

5

10

15

20

control PCP 0 PCP 3 2,4-CP 0 2,4-CP 3

(%)

CLNLPCPE

Pôsobením PCP boli vyvolané rôzne zmeny v obsahu UFA v lipidických štruktúrach kmeňa Micrococcus varians.

C 16:0 - palmitová kyselinaC 16:1 - palmitolejová kyselinaC 18:0 – stearová kyselinaC 18:1 – olejová kyselina C 18:2 – linolová kyselina

CL – celkové lipidyNL – nepolárne lipidyPC – fosfatidyl cholínPE – fosfatidyl etanolamín




Toxicita

Praha AV

Sorpcia


Stres prostredia

Biodegradačné Biodegradačné experimenty v kvapalnom experimenty v kvapalnom médiu médiu –– kometabolizmuskometabolizmus

vatová zátka

sklená kolóna

sorbent SILIPOR C18

sklená frita

Erlenmeyerova banka so zábrusom

médium PCP (mikroorganizmus)

Aparatúra na sledovanie biodegradácie xenobiotík(Dercová a kol., J. Ind. Microbiol. 16, 1996)

Kometabolizmus - špeciálny prípad biotransformácie polutantu a vyžaduje prítomnosť primárneho substrátu, ktorý slúži ako zdroj uhlíka a energie

Sledovanie:odparu biosorpcie biodegradácie

Prídavky biomasy:Prídavky biomasy: 0,5 g.l-15,0 g.l-1

PrimárnePrimárne zdroje uhlíka:zdroje uhlíka:GlukózaLaktát ľahko utilizovateľnýCitrát zdroj uhlíkaFenol– štruktúrne príbuzný s PCPPCP

Praha AV ČR- pomocou GC-MS alebo LC-MS sa snažím stanoviť chlórované katecholy a chinóny, alebo aj iné medziprodukty degradácie PCPVUVH- prebieha meranie toxicity médií po degradácii metódou LumisTox

Aktivita enzýmov – kataláza, peroxidáza



Praha AV

Toxicita

Sorpcia


Stres prostredia


Organo-minerálny komplex – využitie pri dekontaminácii pôd – imobilizácia

Imobilizácia – významný faktor

ZNÍŽENIE BIODOSTUPNOSTI = ZNÍŽENIE TOXICITY

Pôda – schopná len čiastočne eliminovať kontaminanty Podporenie samočistiaceho potenciálu pôdy - zníženie horizontálneho a vertikálneho transferu (výživový reťazec, spodné vody)

OMK= minerálna zložka + humínové kyseliny (VÚPOP)

Minerálna zložka a HA – prírodného pôvodu – vhodnosť pre remediačné technológie (Nižný Hrabovec, Hodonín)

1643223,4073,904,800,754,755,55Moravský JánRegozem arenická

1531230,00167,603,801,167.778,12VoderadyČernozem karbonátová

1968247,4025,804,831,435.465,86Nacina VesFluvizem glejová

Nt mg.kg-1

K mg.kg-1

(Schsch.)

P mg.kg-1

(Egner)Q4

6CorgpH

v CaCl2pH

v H2OLokalitaPôdny typ

Anorganická zložka OMKKaolín (kaolinit)

Zeolit (klinoptilolit)

Prístupnosť vonkajších a vnútorných povrchov pre sorpciu - dôležitá penetráciamedzi vrstvami minerálneho kryštálu (organické molekuly, anorganické živiny a voda) - využitie - vychytávač ťažkých kovov v kontaminovaných pôdach

Organická zložka - humínové kyselinyPOH (HA) –ovplyvňuje mobilitu kontaminantov v pôdeHA (z lignitu):- vysokoaromatické- veľké množstvo COOH skupín – silné väzobné miesta - s vysokým stupňom stabilityIónovo-výmenné väzby...

Fenoly, polyfenoly – prekurzory HA - zabudovanie do štruktúrycharakterizácia HA: NMR, elementárna analýza, elektrónový mikroskop

Sorpcia PCP na OMK v kvapalnom médiu a v pôdach s prídavkom OMK

ads orpcia PCP (%)

01020304050

pôda pôda + Z pôda + OMK

des orpcia PCP (%)

01020304050

pôda pôda + Z pôda+ OMKretencia PCP (%)

01020304050

pôda pôda + Z pôda + OMK

Uvoľňovanie sorbovaného PCP: MO, pHpH (Bollag, 2002) -simulácia kyslých dažďovNamerané počas inžinierskeho štúdia

SORPCIA – DESORPCIA = RETENCIA

Černozem arenická

Významné enzýmy pri imobilizácii polutantu na pôdne častice-peroxidázy-katalyzujú polymerizáciu širokého rozsahu fenolických zlúčenín-polyfenolové oxidázy-dve skupiny: lakkázy, tyrozinázy




Toxicita

Praha AV

Sorpcia


Stres prostredia

Biodegradácia v pôdach s prídavkom OMK

Degradácia v pôde (7, 17, 24 dní):Vysterilizovaná pôda s prídavkom Comamonas testosteroni CCM 7350Pôda s pôvodnou pôdnou mikroflórou (PMO)Pôda PMO bioaugmentovaná C. testosteroni CCM 7350 (MIX)

Prídavok: bez akéhokoľvek prídavku+OMK+Lignit

PCP: 10(50)mg.kg-1, 100mg.kg-1

Uvoľňovanie sorbovaného PCP: MOMO, pH (Bollag, 2002) Abiotické odbúranie PCP v pôdeSledovanie zmeny toxicity pôdnych výluhov na začiatku a na konci degradácie pomocou rastliny Lemna minor)

0

200

400

600

800

1000

- OMK + OMK - OMK + OMK + Lig - OMK + OMK - OMK + OMK + Lig - OMK + OMK - OMK + OMK + Lig

10 mg/kg 100 mg/kg 10 mg/kg 100 mg/kg 10 mg/kg 100 mg/kg

Regozem arenická Černozem karbonátová Fluvizem glejová

106

CFU

7 dní17dní24 dní

106

CFU

0

20

40

60

80

100

- OMK + OMK - OMK + OMK + Lig - OMK + OMK - OMK + OMK + Lig - OMK + OMK - OMK + OMK + Lig

10 mg/kg 100 mg/kg 10 mg/kg 100 mg/kg 10 mg/kg 100 mg/kg

Regozem arenická Černozem karbonátová Fluvizem glejová

Bio

degr

adác

ia P

CP

(%)

7 dní17dní24 dní

Biod

egra

dáci

a PC

P (%

) Degradácia-MIX

Sledovanie zmeny počtu MO počas priebehu biodegradácie




Toxicita

Praha AV

Sorpcia


Stres prostredia

Praha AV

Práca: Sektor Ekologielaboratórium Laboratoř experimentální mykologie(RNDr. Tomáš Cajthaml, PhD.)Sektor Buněčná a molekulární mikrobiologielaboratórium Laboratoř molekulární genetiky bakterií(RNDr. Marie Brennerova, CSc.)

Práca s bakteriálnymi izolátmi:ich identifikácia - PCR, DGGID50

Biodegradačné experimentyReálne pôdne vzorky - staré záťaže- kontaminovaná pôdy PCB, PAH a ťažké kovy

Biodegr

VEGA:2004 – 2006: 1/1309/04: Biotechnologické využitie mikroorganizmov na biodegradáciu perzistentných organických polutantov (POP) za účelom dekontaminácie znečisteného životného prostredia (pôdy, vody); vplyv POP ako environmentálnych stresových faktorov na mikrobiálnu bunku

2007 – 2009: 1/4357/07: Bioremediácia pôd kontaminovaných degradačnýmiproduktami pesticídov typu chlórfenolov: potenciálne využitie organominerálnych komplexov /OMK/, zeolitu a humínových kyselín

APVV:

2007 – 2009: podaný, v hodnotení

Ďakujem Vám za pozornosťĎakujem Vám za pozornosť

PÔVODNÉ VEDECKÉ PRÁCE v CCBioremediation of soil contaminated with pentachlorophenol (PCP) using humic acids bound on zeoliteDercova, K., Sejakova, Z., Skokanova, M., Baranc�ikova, G., Makovnikova, J. 2007 Chemosphere 66 (5), pp. 783-790 Potential use of organomineral complex (OMC) for bioremediation of pentachlorophenol (PCP) in soilDercova, K., Sejakova, Z., Skokanova, M., Baranc�ikova, G., Makovnikova, J. 2006 International Biodeterioration and Biodegradation 58 (3-4), pp. 248-253 Effect of chlorophenols on the membrane lipids of bacterial cellsDercova, K., C�ertik, M., Mal'ova, A., Sejakova, Z. 2004 International Biodeterioration and Biodegradation 54 (4), pp. 251-254 Effect of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) on the membrane lipids of bacterial cellC�ertik, M., Dercova, K., Sejakova, Z., Find�ova, M., Jakubik, T. 2003 Biologia - Section Cellular and Molecular Biology 58 (6), pp. 1111-1117 Biodegradation and Bioremediation of Pentachlorophenol | [Biodegrada cia a Bioremediacia Pentachlo rfenolu (PCP)]Dercova, K., Kysel'ova, Z., Baranc�ikova, G., Sejakova, Z., Mal'ova, A. 2003 Chemicke Listy 97 (10), pp. 991-1002

Nevedecké publikácie

DERCOVÁ K., SEJÁKOVÁ Z.: Rizikové látky v pôde. Časť 1. Polychlórované bifenyly (PCB) a ropa. Odpady 3: 11-14 (2005) (Hazardous compounds in soil. Part 1. Polychlorinated biphenyls. PCBs)

DERCOVÁ K., SEJÁKOVÁ Z.: Rizikové látky v pôde. Časť 2. Polyaromatické uhľovodíky (PAH). Odpady 12: 12-18 (2005) (Hazardous compounds in soil. Part 2. Polyaromatic hydrocarbons (PAHs)

DERCOVÁ K., SEJÁKOVÁ Z.: Rizikové látky v pôde. Časť 3. Chlórované alifatické uhľovodíky a pesticídy. Odpady 1: 21-23 (2006) (Hazardous compounds in soil. Part 3. Chlorinated aliphatic hydrocarbons and pesticides)

Konferencie:

SEJÁKOVÁ Z., SKOKANOVÁ M., DERCOVÁ K.: Use of organomineral complex at remediation of contaminated soil. Junior Scientist Conference. Vienna, April 19-21, Austria, 2006. In: Proceedings (W. Elmenreich, H. Kaiser, eds.), 263-264 (Po)

SEJÁKOVÁ Z. DERCOVÁ K., TÓTHOVÁ L.: Toxicita a biodegradácia pentachlórfenolu. Zborník abstraktov, 47-48. Brno Tomáškovy dny (2005) (Pr)

SEJÁKOVÁ Z., DERCOVÁ K., ČERTÍK M.: Chlórované fenoly ako možné stresové faktory pre mikrobiálnu bunku. Zborník abstraktov, 48-49. Brno Tomáškovy dny(2005) (Po)

SEJÁKOVÁ Z., DERCOVÁ K.: Využitie organo-minerálnych komplexov pri bioremediácii kontaminovaných pôd. 57. zjazd chemických spoločností, Zborník abstraktov, 280-281. Vysoké Tatry (2005) (Po)

biodegradácia perzistentných organických polutantov (pops) · micrococcus varians pix: 0.040809...

Documents