Degradacja wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych w osadach dennych Zatoki Gdańskiej
Katarzyna Galer-Tatarowicz, Grażyna Pazikowska-Sapota, Grażyna Dembska, Marta Wojtkiewicz, Barbara Aftanas
Instytut Morski w Gdańsku / Zakład Ochrony Środowiska, Długi Targ 41/42, 80-830 Gdańsk, ktatarowicz@im.gda.pl
Wstęp
WWA należą do grupy trwałych zanieczyszczeń środowiska, ze względu na własności takie jak: hydrofobowość, łatwa sorpcja (adsorpcja i absorpcja) oraz trwałość. Pomimo tego WWA ulegają również powolnym ciągłym przemianom fizyczno-chemicznym i biologicznym.
Wieloletnie badania tej grupy związków wykazały, że część z nich ma działanie kancerogenne, mutagenne lub teratogenne, co sprawia, że problem obecności i trwałości tych związków w środowisku jest poważny. Takie własności posiadają nie tylko związki podstawowe, lecz również produkty pośrednie ich przemian, jakie zachodzą w osadach w zmieniających się warunkach środowiska. Wśród różnych procesów powodujących przemiany główne znaczenie w usuwaniu tych związków ze środowiska wodnego odgrywa biodegradacja, czyli naturalny proces rozkładu z udziałem organizmów żywych.
Z punktu widzenia stanu środowiska biodegradacja WWA jest zjawiskiem korzystnym.
Obecne w osadach dennych mikroorganizmy (bakterie, glony, grzyby), na skutek ciągłej styczności z zanieczyszczeniami, wyspecjalizowały się w transformacji tych związków w procesach metabolicznych obejmujących procesy katabolizmu, gdzie WWA stanowią źródło węgla, jak i anabolizmu, gdzie stanowią one substraty do syntezy komórek.
Biodegradacja zachodzi w sposób prostszy i szybszy w osadach zanieczyszczonych przez WWA, takich jak osady portowe, gdzie istnieją już duże populacje bakterii i glonów rozkładających WWA, przystosowanych do takich warunków.
W większości szlaków metabolicznych w warunkach tlenowych, reakcja utleniania przeprowadzana jest przez mono- i dioksygenazy, dzięki którym z zanieczyszczeń aromatycznych zostają utworzone produkty pośrednie, aż do rozszczepienia pierścienia aromatycznego. Zwykle organizmy prokariotyczne (jednokomórkowe, bez wyodrębnionego jądra) utleniają WWA z udziałem dioksygenaz, włączając dwa atomy tlenu do substratu, co prowadzi do powstania cis-hydrodioli, które są następnie przekształcane do związków dihydroksylowych. W analizowanych próbkach osadów dennych potwierdzono obecność produktów degradacji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, podawanych
przez literaturę (Cerniglia 1992, Haritash i Kaushik 2009, Włodarczyk-Makuła i Wierzbicka 2013).
Proponowane w literaturze szlaki biodegradacji WWA
Na rysunku 1 przedstawiono najczęstsze szlaki degradacji mikrobiologicznej wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (Cerniglia 1992; Haritash i Kaushik 2009, Włodarczyk-Makuła i Wierzbicka 2013).
Rysunek 1 Śieżki degradacji katabolicznej WWA (Cerniglia 1992; Haritash i Kaushik 2009, Włodarczyk-Makuła i Wierzbicka 2013).
Materiały i metody
Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i produkty ich degradacji oznaczano metodą chromatografii gazowej ze spektrometrią mass (GC-MS) wg. opracowanej procedury badawczej. Ekstrakcję analitów z próbek osadów przeprowadzono przy zastosowaniu dichlorometanu poprzez wytrząsanie mechaniczne przez 12 h. Ekstrakt oczyszczano z siarki elementarnej przy pomocy kolumienek szklanych wypełnionych pudrem miedzianym aktywowanym 50% kwasem solnym. Oczyszczony ekstrakt wzbogacono poprzez odparowanie do objętości 1 cm3. Oznaczenie końcowe wykonywano na chromatografie gazowym 6890 z detektorem masowym 5973 firmy Hewlett Packard. Chromatogramy
otrzymywano podczas rozdzielania w trybie skanowania jonów masowych (TIC - Total Ion Chromatogram). Warunki analizy chromatograficznej przedstawiono w Tabeli 1.
Tabela 1. Warunki analizy chromatograficznej
Kolumna Kolumna kapilarna HP-5MS,
(30 m; 0,250 mm; 0,25 µm; temp. max. 320/340°C) Program temperaturowy 50°C do 120°C (50°C·min-1), 120°C do 300 °C (5°C·min-1),
300°C (10 min)
Temperatura dozownika 300°C
Gaz nośny Hel, przepływ 1,5 ml·min-1
Objętość nastrzyku 1 µl
Związki identyfikowano porównując widma masowe dla poszczególnych pików otrzymane podczas rozdzielania chromatograficznego z detekcją masową, z biblioteką widm masowych NIST05 zawierającą ok. 200 tys. widm unikalnych związków.
Materiał do badań
Próbki osadów dennych pobrano w ramach projektu ECODUMP (Application of ecosystem principles for the location and menagement of offshore dumping sites in SE Baltic Region) nr WTPB 02.01.00-72-016/10 realizowanego w ramach programu Południowy Bałtyk Współpraca Transgraniczna 2007-2013. Z klapowiska Gdynia pobrano 29 próbek osadów powierzchniowych, z obszaru wokół klapowiska 21 próbek osadów powierzchniowych, z Zatoki Gdańskiej 47 próbek osadów powierzchniowych. Pobrane rdzenie podzielono na warstwy jednolite geologicznie co spowodowało otrzymanie w sumie 254 próbek osadów dennych z omawianego rejonu, w których przeprowadzono analizy fizyko-chemiczne.
Ponadto z dna Morza Bałtyckiego z obszaru wód terytorialnych Litwy (okolice portu Kłajpeda) pobrano do badań 162 próbki osadów powierzchniowych. Dla porównania uzyskanych wyników poddano analizie także 7 próbek powierzchniowych osadów dennych z basenów portowych Portu Gdynia.
W sumie z widmami biblioteki NIST05 porównano 416 chromatogramów uzyskanych dla próbek osadów rdzeniowych, z czego 259 chromatogramów uzyskano dla warstwy 0-50 cm.
Wyniki
Podczas analizy chromatograficznej i w wyniku porównywania widm masowych uzyskanych na podstawie otrzymanych chromatogramów z posiadaną biblioteką widm (NIST05) stwierdzono z dużym prawdopodobieństwem obecność trzech podawanych przez literaturę produktów biodegradacji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych dających się oznaczyć w opisanych wcześniej warunkach. Są nimi: 9-Fluorenol, 9-Fluorenon, Antracen- 9,10-dion (Antracen-9,10-chinon, Antrachinon). Ich obecność stwierdzono w próbkach
powierzchniowych osadów dennych (od 0 do ok. 50 cm głębokości) pobranych z basenów portowych Portu Gdynia, jak i w części próbek osadów dennych z obszaru klapowiska i obszaru Zatoki Gdańskiej.
W próbkach rdzeniowych pobieranych z większej głębokości niż 50 cm nie stwierdzono obecności produktów biodegradacji dających się oznaczyć w opisanych warunkach.
Podsumowanie i wnioski
1. Biodegradacja jest procesem kilkuetapowym i może przebiegać z udziałem różnych populacji mikroorganizmów: bakterii, grzybów i glonów.
2. Efektywność procesu biodegradacji zależy od rodzaju węglowodoru i jego własności, ale także od warunków środowiskowych, a przede wszystkim od obecności i zdolności mikroorganizmów do wytwarzania odpowiednich enzymów.
3. Nie można jednoznacznie stwierdzić jak będzie przebiegał proces biodegradacji WWA w środowisku naturalnym, tj. jaki szlak metaboliczny zostanie wybrany przez drobnoustroje i czy tylko jeden oraz jakie produkty rozpadu powstaną. Mogą być to produkty bardziej toksyczne i trudniej biodegradowalne niż substancje pierwotne lub wręcz przeciwnie.
4. Szybkość i jakość biodegradacji w osadach zawierających wyższe stężenia WWA lub osadach pochodzących z miejsc nimi zanieczyszczonych (np. osady portowe) może zachodzić szybciej niż w osadach z rejonów niezanieczyszczonych. Może to wynikać z obecności w nich już zaadoptowanych szczepów bakterii.
5. W przeprowadzonych badaniach z dużym prawdopodobieństwem potwierdzono występowanie procesu biodegradacji w sprzyjających warunkach, zarówno w osadach mniej zanieczyszczonych z klapowiska i Zatoki Gdańskiej, jak i bardziej zanieczyszczonych pochodzących z portu. W obu przypadkach stwierdzono obecność przynajmniej jednego produktu biodegradacji podawanych przez literaturę i dających się oznaczyć w opisanych warunkach.
6. W celu dokładniejszego określenia mechanizmów degradacji zachodzących w osadach dennych w porcie i na klapowisku należy przeprowadzić bardziej szczegółowe badania (np. składu flory bakteryjnej, przeprowadzenia testów toksyczności, czy badań modelowych odnośnie możliwości narzucenia kierunku biodegradacji, itp.).
Literatura
Cerniglia C.E., 1992, Biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons, Biodegradation 3, 351-368
Haritash A.K., Kaushik C.P., 2009, Biodegradation aspects of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs): A review, Journal of hazardous Materials, 169, 1-15
Włodarczyk-Makuła M., Wierzbicka M., 2013, Warunki degradacji WWA w środowisku wodnym, LAB rok 18, 3, 28-32.
