Экология почв военных полигонов - Дмитрий Александрович Пантелеев

Рис. 7. Схема биологической трансформации тротила

В аэробных и анаэробных условиях тротил преобразуется в аминопроизводные: 2-АДНТ, 4-АДНТ, 2,4-диаминонитротолуол и 2,6-диаминодинитротолуол. В анаэробных условиях может образовываться триаминотолуол [175]. Известно об анаэробной минерализации триаминотолуола в лаборатории до тригидрокситолуолов, полифенолов, п-крезола и ацетата [144]. Эти соединения в дальнейшем преобразуются путем биотических или абиотических процессов. Промежуточные продукты связываются с коллоидными частицами почв, тем самым ограничивая доступность для дальнейшей реакции.

Грибы преобразуют тротил за счет действия неспецифических внеклеточных ферментных систем (лигнинпероксидаза, марганецпероксидаза, лакказа). Различные виды грибов по-разному воздействуют на тротил в зависимости от условий культивирования и субстрата [172, 175]. Базидиомицеты (Agaricus aestivalis, Agrocybe praecox, Clitocybeodora) трансформируют тротил со степенью минерализации от 5 до 15 %. Некоторые микромицетные грибы (Aspergillus terreus, Mucor mucedo, Penicillum, Rhizoctoniai) преобразуют, но не минерализуют тротил.

Высокие уровни тротила могут оказывать токсическое воздействие на бактерии в почве, что проявляется в снижении скорости его микробной деградации [244]. Эти выводы подтверждены в работе [213], где также сообщается о продолжительном периоде полураспада высоких концентраций тротила в почве и связанных с ними процессов ингибирования бактерий.

Известна схема биодеградации 2,4,6-тринитротолуола штаммом дрожжей Yarrowia lipolytica AN-L15 в условиях непрерывного режима культивирования. В биореакторе первой ступени (рН=6,7–7,0) трансформация тротила сопровождается накоплением основного метаболита – моногидридного комплекса Мейзенхеймера. На второй ступени (рН=5,3–5,6) комплекс преобразуется в дигидридные комплексы Мейзенхеймера. Показатель кислотности в реакторах поддерживали на постоянном уровне путем продуцирования дрожжами органических кислот. В биореакторе третьей ступени (рН<3,3) достигается полная биодеградация гидридных комплексов. Удаление исходного ксенобиотика достигает 80±1%, при этом выделяется оксид азота [87]. Phanerochaete chrysosporium – гриб белой гнили – наиболее широко изученный вид грибов, который полностью трансформирует тротил [175].

В аэробных условиях у 2,6- и 2,4-динитротолуолов происходит отщепление нитрогрупп, в конечном итоге приводящее к выходу гормонов (катехолам) [187]. В анаэробных условиях наблюдается общее метаболическое восстановление нитрогрупп до нитрозо-, аминонитро-, диамино- и азоксисоединений [207].

Бактериальная минерализация гексогена может происходить в аэробных условиях, где его молекула служит источником азота (рисунок 8) [110]. Наиболее эффективный штамм удаляет 0,18 ммоль гексогена из культуры в течение 32 ч.

Рис. 8. Схема биологической трансформации гексогена в аэробных условиях

Гексоген разлагается легче, чем тротил, особенно в анаэробных условиях. Удаление гексогена из почвы впервые провели с применением фиолетовых фотосинтетических бактерий [129]. Позднее была проведена анаэробная деградация гексогена с использованием микробных популяций из загрязненной почвы и осадка сточных вод [144]. Возможно минимум два пути полной биодеградации гексогена в жидких культурах с анаэробным илом. В первом случае гексоген разлагается до гексагидро-1-нитрозо-3,5-динитро-1,3,5-триазина и гексагидро-1,3-динитрозо-5-нитро-1,3,5-триазина. Во втором – образуются два новых метаболита (метилендинитрамин и бис(гидроксиметил)нитрамин). Метаболиты не накапливается в системе, все распадаются с образованием закиси азота (конечного азотсодержащего продукта реакции), формальдегида, метилового спирта, муравьиной кислоты. Последние два соединения преобразуются до конечных углеродсодержащих продуктов – CH4 и CO2. Этот процесс в зависимости от используемых культур длится от двух недель до двух месяцев [178].

Несколько штаммов, способных трансформировать гексоген анаэробно, выделены из конского навоза [268]. Из жидкой среды, содержащей глицерин в качестве источника углерода, можно удалить гексоген с концентрацией 62 мг/л с помощью белой гнили [242]. При этом образуется ~53% минерализованных веществ, включается в биомассу грибов ~11 %, а 28 % остается в водной фазе в виде метаболитов, состав которых не установлен. Основной продукт грибковой деградации гексогена – N2O (~62 %).

Октоген устойчив к биологическому воздействию. Бактериальная деградация может происходить за счет восстановления нитрогрупп с образованием промежуточных нитрозосоединений, которые впоследствии превращаются в N2О, формальдегид и CO2 (рисунок 9) [175]. В морских отложениях, поступивших с военного полигона, где были захоронения неразорвавшихся боеприпасов, деградацию октогена удалось усилить в присутствии глюкозы. Через 50 дней его концентрация в водной фазе (1,2 мг/л) была снижена в 2 раза, при этом выделялись мононитрозосоединения [269].

Обзор деградации сложных эфиров нитратов представлен в работе [262]. Идентифицировано несколько микробных культур, приводящих к деградации нитроглицерина. Биодеградация сложных эфиров нитратов происходит путем последовательной денитрации, при этом каждая нитрогруппа реагирует медленнее предыдущей (рисунок 10) [108].

Рис. 9. Схема биологической трансформации октогена

Рис. 10. Схема биологической трансформации нитроглицерина

Деградация нитроглицерина в некоторых случаях приводит к образованию глицерина. При использовании смешанных культур и чистых штаммов активность наблюдается и в аэробных, и в анаэробных условиях (Pseudomonas sp., Agrobacterium radiobacter, Bacillus sp.). Ферменты, катализирующие эту реакцию, были выделены из разрушающих нитратные эфиры организмов; все они относятся к редуктазам [111].

В лагуне для очистки сточных вод на бывшем заводе по производству нитроглицерина обнаружены Arthrobacter ureafaciens, Klebsiella oxytoca и родококк [196]. Эти бактерии способны разлагать нитроглицерин с образованием тринитроглицерина и тринитрата глицерина. Виды Rhodococcus полностью разрушают нитроглицерин и продукты его распада. Phanerochaete chrysosporium денитрифицировали нитроглицерин в аэробной среде. Смешанные бактериальные культуры в анаэробных микрокосмах трансформируют нитроглицерин быстрее в присутствии источника углерода. С добавлением 2000 мг/л глюкозы биодеградация нитроглицерина завершается через 26 дней, без добавления – через 114 дней.

В исследовании [115] показано, что концентрации нитрогуанидина в фазе раствора над активным илом не изменяются с течением времени, то есть нитрогуанидин не восприимчив к аэробной биодеградации.

Деградация перхлората осуществляется непосредственно почвенными микроорганизмами и ферментами (перхлоратредуктаза и хлоритдисмутаза). Выделен ряд перхлоратредуцирующих бактерий, относящихся к грамотрицательным факультативным анаэробам [264]. В работе [253] исследовали поверхностные и приповерхностные почвы, а также грунты с поверхности морского дна. Показано, что биодеградация перхлората требует анаэробных условий, достаточного источника углерода и активной микробной популяции. Небольшое снижение концентрации перхлората происходит в глине при –150 мВ и рН=7,0 [115].

Разложение перхлората описывается последовательностью: СlO-4 → СlO-3→ СlO-2→ Cl− + O2 [230]. В качестве субстратов для роста разлагающих перхлорат бактерий требуется различные органические соединения, в том числе спирты и карбоновые кислоты [264]. Ацетат-окисляющие хлораторедуцирующие бактерии представляют значительную популяцию из различных источников, включая чистые и загрязненные углеводородами почвы, водные отложения, шламы бумажных фабрик и лагуны для отходов животноводства [128]. Ацетат часто применяется в качестве субстрата для гетеротрофного восстановления перхлората [191].

Некоторые авторы утверждают, что в естественных условиях при исследовании почв и вод практически невозможно провести различие между биотической и абиотической трансформацией энергетических веществ [172].

2.1.4 Особенности загрязнения