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
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Praha AV ČR
Toxicita
Sorpcia
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
Charakteristika bakteriálnych izolátov
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
Dizertačná prácaDizertačná práca
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
Toxicita
Sorpcia
Praha AV
Charakteristika bakteriálnych izolátov
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
Dizertačná prácaDizertačná práca
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
Toxicita
Praha AV
Sorpcia
Charakteristika bakteriálnych izolátov
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
c o n tro l PCP 0 PCP 2 2 ,4 -CP 0 2 ,4 -CP 2
(%)
CLNLPCPE
C 1 8 :1
0
5
1 0
1 5
2 0
c o n tro l PCP 0 PCP 3 2 ,4 -CP 0 2 ,4 -CP 3
(%)
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
Dizertačná prácaDizertačná práca
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
Toxicita
Praha AV
Sorpcia
Charakteristika bakteriálnych izolátov
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
Dizertačná prácaDizertačná práca
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Praha AV
Toxicita
Sorpcia
Charakteristika bakteriálnych izolátov
Stres prostredia
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
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
Dizertačná prácaDizertačná práca
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
Toxicita
Praha AV
Sorpcia
Charakteristika bakteriálnych izolátov
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
Dizertačná prácaDizertačná práca
Biodegradácia v kvapalnom médiu
Biodegradácia v reálnych pôdnych vzorkách
Toxicita
Praha AV
Sorpcia
Charakteristika bakteriálnych izolátov
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
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)