PAH és nehézfémek kölcsönhatása a talajenzimekkel

Átírás

1 A TERMÉSZETES ÉS ÉPÍTETT KÖRNYEZET VÉDELME. PAH és nehézfémek kölcsönhatása a talajenzimekkel Tárgyszavak: talajszennyezés; nehézfém; policiklikus aromás szénhidrogének (PAH). Sok országban Kínát is beleértve egyre súlyosabb problémát okoz a talajkörnyezet szennyeződése. A szennyezett talajok zömében a leggyakoribb és potenciálisan legártalmasabb szennyeződések a nehézfémek (HM) és a policiklikus aromás szénhidrogének (PAH). A talaj HMszennyezésének fokozódó környezeti jelentősége van világviszonylatban és különösképp Kínában az ipar gyors fejlődése következtében. Természetes előfordulás mellett a HM-ek antropogén tevékenység (bányászat, kohászat, szennyvíziszap-lerakás, peszticidek és szervetlen trágyák alkalmazása, légköri ülepedés) során is bejuthatnak a környezetbe. A PAH-ok a veszélyes szerves szennyeződések mindenütt előforduló csoportját alkotják, amelyek erős rákkeltő és toxikus tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezek fosszilis tüzelőanyagok tökéletlen égése során képződnek, és légköri ülepedés útján juthatnak a talajba. Feltehetően az összes PAH-terhelés több mint %-a a felszíni talajokban található. A talajba bevitt HM és PAH egyaránt befolyásolja a mikroorganizmusokat, ami az enzimaktivitás változásában nyilvánul meg. A talajenzimek fontos anyagcsere-folyamatok katalizátorai (pl. szerves szennyezések lebontása, xenobiotikumok méregtelenítése). Az enzimaktivitások érzékenyek a szennyezés iránt és könnyen drága és bonyolult műszerek nélkül meghatározhatók. Ezért javasolták, hogy a talaj enzimaktivitását indikátornak tekintsék a szennyeződés mértékének megállapításához. A legfontosabb talajenzimek a dehidrogenáz és ureáz, amelyeket gyakran használnak különböző szennyeződések talajminőségre gyakorolt hatásának meghatározásához. Egyesek megállapították, hogy a naftalén és fenantrén kedvezően befolyásolja az ureáz ak-

2 tivitását, és korreláció van az ureázaktivitás és a fenantréntartalom között. Hasonló összefüggést észleltek a dehidrogenázaktivitás és a fenantrén-, fluorantén-, krizén- és dibenzo(ah)antracén-tartalom között. Többen leírták, hogy a HM-szennyezés gátolja az ureáz és a dehidrogenáz aktivitását. Az ureázaktivitás gátlásának szekvenciája a következő sorrendbe állítható: Cr>Cd>Cu>Zn>Mn>Pb. Azonban a HM-ek stimuláló hatását is megfigyelték. Az említett vizsgálatok zömében egyetlen szennyeződés hatására koncentrálódtak. Azonban a valós környezetben a szennyezett talajok rendszerint inkább vegyületek keverékét, mint egy tiszta anyagot tartalmaznak. Így a talajban élő szervezeteket sokféle mérgező anyag érheti, amelynek kockázata a keverék összetétele és hozzáférhetősége alapján határozható meg. Mégis a legtöbb ökotoxikológiai alapon nyugvó kockázatmegítélési módszer a szennyezett talajt egyetlen anyag toxicitási adatai alapján vizsgálja, tehát figyelmen kívül hagyja a keverékhatásokat. Újabban leírták, hogy fémek jelenléte PAH-szennyezett talajokban nem ritka, különösen kokszolóművek és gázgyárak esetében, de gyakoriak az ellentmondásos eredmények. Az adatok világos összefüggéseinek értelmezése az adatkezelési módszerek eltérése folytán nehéz. A laboratóriumi kísérletek során nagy dózisban alkalmazott HM és PAH távol áll a valóságos helyzettől, bár adhat némi információt. Anyagok és módszerek A vizsgálathoz használt talajokat mezőgazdasági területen, rizsföldön ( cm mélységben) gyűjtötték Sanghajban. A laborban levegőn szárították, őrölték, átszitálták ( mm-es pórusméret) és alapmintaként tárolták. Standard módszerekkel a következő alaptulajdonságokat határozták meg: ph =,, szerves anyag,%, kationcserélő kapcitás (CEC), cmol/kg, összes N, g/kg, összes P, g/kg, homok,%, iszap,%, agyag,%, Fe O,%, Al O,%, SiO,%. A HM-ek és PAH-ok vizsgálatához egységes tervet alkalmaztak, amelynek jellemzői:. Minden faktor minden szintje a kísérletek során csak egyszer fordul elő.. A kísérletek száma megegyezik a faktorok számával. Ezzel a módszerrel megrövidíthető a kísérleti idő és javítható a kísérletek hatékonysága. A -faktorok és -szintes kísérletek esetében az ortogonális tervezés kísérleti száma és a komplett tervezés, míg az egységes tervezésnél ez csak (. táblázat). Látható, hogy az egységes tervezésnek több szintje van, így pontosabb regressziós

3 egyenletek kaphatók és meghatározhatók a kísérleti tényezők fő kölcsönhatásai. Ez a tervezési mód egyre népszerűbb Kínában, főleg a mezőgazdaságban, iparban, tudományos kutatásban, hadtudományokban és vegyiparban.. táblázat U ( ) egységes tervezési táblázat faktor és szint esetén Mintaszám S S S S S S S S S S S Faktor X X X X X X Kísérleti faktorok és szintek (mg/kg talaj). táblázat Faktor Szint Cd Zn Pb Phe a Fla b Bap c,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, a fenantrén b fluorantén c benzo(a)pirén Három különböző tulajdonságú PAH-vegyületet fenantrén, fluorantén, benzo(a)pirén és három elemet (Cd, Zn, Pb) tekintettek a fő

4 talajszennyezőknek. Ezeket választották kísérleti tesztelés céljára. A koncentrációkat a kínai és kanadai szabványoknak megfelelően választották meg: Cd, Zn és Pb esetében kisebb mint,,, ill. mg/kg talaj. A PAH-ra vonatkozó kanadai szabvány kisebb mint, mg/kg (. és. táblázat). Kísérleti kezelések és HM-, ill. PAH-koncentrációk. táblázat Kezelések Cd Zn Pb Phe a Fla b BaP c S S S S S S S S S S S a fenantrén b fluorantén c benzo(a)pirén,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, A kísérleteket literes cserépedényekben végezték. A talajból készített alapmintát ( g) jól elkeverték a HM-sók (acetátok) vizes oldatából és a PAH-ok CH Cl -oldatával a. táblázatnak megfelelően majd szobahőmérsékleten inkubálták hétig. A kontrollhoz azonos mennyiségű desztillált vizet és CH Cl -t adtak. A minta nedvességtartalmát az egész talaj víztartó képességének %-ánál tartották, amit naponként mérésekkel ellenőriztek. Az enzimaktivitást,, és hét múlva határozták meg. Az ureázaktivitást mg NH -N/kg/h formájában fejezték ki. A dehidrogenázaktivitást,, -trifenil-tetrazolium-klorid (TTC) redukciója alapján tesztelték: a óra alatt felszabaduló trifenil-formazánt (TFP) metanollal extrahálták és nm-nél UI-spektrofotométerrel mérték. A dehidrogenáz aktivitásának egysége: TFP mg/g/ h.

5 enzimaktivitás, kontroll %-a ureáz dehidrogenáz nap S S S S S S S S S S talajminták enzimaktivitás, kontroll %-a ureáz dehidrogenáz nap S S S S S S S S S S talajminták enzimaktivitás, kontroll %-a ureáz dehidrogenáz nap S S S S S S S S S S talajminták. ábra Talajenzim-aktivitás különböző talajmintákban, különböző inkubációs időben

6 Adatfeldolgozás A különböző, fontos, független változók kombinált hatásának megállapításához általában másodrendű polinom modelleket alkalmaznak. Ezért kidolgoztak egy modellt, amely leírja hat, kiválasztott, független változó (Cd, Zn, Pb, fenantrén, fluorantén, benzo(a)pirén) koncentrációjának hatását a talaj ureáz- és dehidrogenázaktivitására. A kapott eredményeket SPSS-szoftver alkalmazásával elemezték. Eredmények és értékelés Enzimgátló hatás összehasonlítása Az. ábra mutatja kombinált szennyezés (PAH és HM) hatását az ureáz és dehidrogenáz aktivitására a kísérlet folyamán ( nap). Az eredményeket a kontroll %-ában (kontrollaktivitás = ) fejezték ki. A környezetben az öregedett szennyezések viselkedése más, mint a frissen hozzáadott anyagoké. Tartós folyamatok következtében (öregedés) a szennyeződések hozzáférhetősége az idővel arányosan csökken. A lehetséges mechanizmusok közé sorolható a szennyezések egyesülése természetes szerves anyagokkal és behatolásuk a talaj kis pórusaiba. Feltehető, hogy a HM és PAH kombinált hatása a talajenzimekre szorosan függ a szennyezések koncentrációjától. A dehidrogenáz alkalmasabbnak tűnik a kombinált szennyezés indikátoraként, mint az ureáz, különösen a szennyeződés korai szakaszában. HM-ek és PAH-ok kölcsönhatásai az enzimekkel A kölcsönhatás típusa és nagysága nemcsak a keverék komponensétől, hanem az inkubációs időtől is függhet. A vizsgálat során a HM-ek és PAH-ok, valamint a talajenzimek kölcsönhatását fokozatos regreszszióanalízissel tanulmányozták. A függő változó minden esetben a talajenzim aktivitása (% kontroll) volt, míg a független változók szelektált HMés PAH-tartalomra vonatkoztak (. táblázat). Látható, hogy a Zn és Cd kölcsönhatása a dehidrogenáz-aktivitással a. napon negatív volt. A toxicitást kovamoszatokban, vízi makrofitákban és halakban vizsgálták. Az eredmények az antagonistától a szinergistáig terjedtek, de az általnos trend Zn esetében más fémek toxicitásának csökkenése volt. A Zn és Cd negatív kölcsönhatása valószínűleg a

7 szorpciós helyekért való versengésükből eredhet. A talaj Cd-szennyezésekor a Zn oldatba mehet, így fokozódik biológiai hozzáférhetősége.. táblázat Talajenzim-aktivitás (Y) és PAH-, ill. HM-tartalom (X) összefüggése Sorszám Többszörös regressziós modell R Y u =, X Zn, Y u =, X Zn X BaP +, X Zn X Phe, X Cd +, X Pb, Y u =, X Zn, X Cd +, X Phe X Fla, Y D =, X Zn +, X Cd X Phe, X Cd X FZn, Y D =, X Zn +, X Phe X BaP, Y D =, X Cd, Y ui (i =,, ): ureázaktivitás az i. héten Y Di (i =,, ): dehidrogenázaktivitás az i. héten Phe = fenantrén; Fla = fluorantén; BaP = benzo(a)pirén PAH-ok közötti kölcsönhatás PAH hatása a talajenzimre főleg a környezetbe került szennyeződés mennyiségétől és típusától függ. Közölték, hogy a talaj dízelolajszennyeződése erősen gátolta a talajenzimek aktivitását, bár néhány esetben stimuláló hatást is megfigyeltek. A jelenlegi vizsgálat során a fenantrén és benzo(a)pirén (vagy fluorantén) kombinált stimuláló aktivitását észlelték (. táblázat). Ez a mikroorganizmusok szennyezéshez való fokozatos alkalmazkodásának, valamint a xenobiotikumok szén- és energiaforrásként való hasznosításának tulajdonítható. Előfordult, hogy baktérium-, gomba- és sugárgomba-populációk alakultak nyersolajból vagy szerves vegyületektől származó szennyezés jelenlétében, amelyeket a mikrobák le tudtak bontani. A stressz -periódus után fokozódik a légzés intenzitása, az enzimaktivitás, a mikroorganizmusok fejlődése és a szennyeződések fokozatos lebomlása. A PAH-ok kölcsönhatásának mechanizmusa még nem világos. HM-ek és PAH-ok kölcsönhatása Természetes talajokban a HM-ek toxikus aktivitást mutatnak a talaj élőlényei iránt, amely a talajmikrobák számának és aktivitásának csök-

8 kenéséhez vezethet. Ezenkívül lelassul a PAH mikrobiális átalakulása, ami fontos szerepet játszik ezeknek a vegyületeknek a talajkörnyezetben való szétterjedésében. Előfordulhat pozitív kölcsönhatás is a HM és PAH között (. táblázat). Ennek egyik lehetséges magyarázata, hogy a fenantrén adszorpciója szignifikánsan megnő a fémek hozzáadása után. A Zn és fenantrén kölcsönhatása fokozza az ureáz aktivitását a. napon. Mások közölték, hogy a Zn jelenléte fokozhatja a fenantrén közömbösítését. A Cd-mal végzett kísérletek szerint ez a fém fokozhatja a detoxikáló enzimek aktivitását halakban; a Cd és benzo(a)pirén ezzel kapcsolatban szinergistaként működhet. Megfigyelhető, hogy a Zn és benzo(a)pirén kölcsönhatása gyengíti az ureáz aktivitását a. napon (. táblázat). Ez azzal magyarázható, hogy a lipofil vegyületek (pl. PAH) narkotikus jellegű toxikus hatást mutatnak és kölcsönhatásba léphetnek a baktériumok sejtplazmamembránjainak lipofil komponenseivel, így befolyásolják ezek permeabilitását és szerkezetét. Ezért a PAH-hal szennyezett talajban a HM-ek könnyebben behatolnak a mikrobasejtekbe és befolyásolják működésüket. Összefoglalva a PAH és HM kombinált hatása a talajenzimek aktivitására főleg az inkubációs időtől függ, amely összefügghet a biológiai hozzáférhetőséggel. Az utóbbi és a keverék toxicitása közötti kapocs a szennyeződések versengése a szorpciós helyekért, ami arra vezet, hogy az egyik szennyeződés kiszorítja a gyengébb versengő anyagot a talajrészecskékből a talajoldatba. Így a szennyezőkoncentráció aránya a talajoldatban más, mint a talaj összes szennyeződéskoncentrációjának aránya különböző inkubációs idők esetében. A szennyeződések eloszlása a talajfázisokban döntő jelentőségű a PAH és HM kölcsönhatása szempontjából a talajenzimek tekintetében, mivel csak a folyékony fázis fémkoncentrációja tekinthető hozzáférhetőnek. Következtetések A PAH és HM talajenzimekre gyakorolt, kombinált hatásának vizsgálata számos hatást és kölcsönhatást mutatott ki ezek között. A szenynyeződési szinteket reális értéken kell tartani, a környezeti koncentrációkhoz viszonyítva. Az egységes tervezés fontos eszköz a keverékek kölcsönhatásának vizsgálata céljára. További kísérletek szükségesek a kölcsönhatások mechanizmusának jobb megértéséhez. Nyilvánvaló, hogy ezek a kölcsönhatások jelentősen befolyásolják az anyagok toxicitását. A kölcsönhatás nagysága és típusa erősen függ a reakció szintjétől és a

9 keverék komponenseinek relatív eloszlásától, így figyelembe veendők kockázatbecslésnél és a talajminőségi kritériumok megállapításánál. Összeállította: Dr. Pálfi Ágnes Shen, G.; Lu, Y.; Zhou, O.; Hong, J.: Interaction of polycyclic aromatic hydrocarbons and heavy metals on soil enzyme. = Chemosphere,. k.. sz.. dec. p.. Lock, K.; Janssen, C. R.: Influence of ageing on zinc bioavailability in soils. = Environmental Pollution,.. sz. p..