| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Naturlig nedbrydning af PAH'er i jord og grundvand

4. Biologisk nedbrydelighed

I dette indledende kapitel om nedbrydningen af PAH'er søges det ved gen-nemgang af en række laboratoriebaserede undersøgelser klarlagt:

Dette kan mere detaljeret listes som:

Ved at klarlægge de ovenstående forhold udfra observationer fra laboratorie-forsøg kan der tilvejebringes informationer om forhold, der er væsentlige for nedbrydning af PAH'er i jord og grundvand.

4.1 Introduktion

I dette kapitel beskrives erfaringer med nedbrydning af PAH'er udfra ned-brydnings-forsøg i laboratorier, hvor forsøgsbetingelserne afviger i større eller mindre grad fra in situ forhold. Fordelen ved at undersøge nedbrydning af PAH'er ved laboratorieforsøg fremfor at udføre f.eks. feltundersøgelser på forurenede lokaliteter er, at betydningen af forskellige meka-nismer (se før-nævnte) kan klarlægges. Ved observationer af nedbrydning i jord og grund-vand i felten vanskeliggøres beskrivelsen af bl.a. den heterogene fordeling af forurenings-komponenter i jord og grundvand.

Laboratorieforsøg

Formålet med udførelse af de mange forsøg med bl.a. isolerede mikro-organismer er oftest at få tilvejebragt viden, som kan bruges ved optimering af oprensningsmetoder, som f.eks. milekom-post-ering med tilsætning af "ef-fektive nedbrydere".

Mikroorganismer

Siden 1940'erne har det været kendt at mikroorganismer kan nedbryde PAH'er (Cerniglia, 1984 refereret i Jensen, 1996). Ved en lang række under-søgelser af mikroorganismer fra PAH-forurenet jord og grundvand er det klarlagt, at der findes et omfattende antal bakterier, svampe og cyano-bakterier/alger, der kan nedbryde PAH'er (Jørgensen & Jacobsen, 1997, Glaser et al.,1999, Mueller et al.,1996, Bouchez et al.,1996, Ashok & Sere-na, 1995, Shuttleworth & Cerniglia,1995, Karlson & Willumsen,1997, Ait-ken et al., 1998, Frederiksen, 1998, Ghiorse et al.,1995).

Metabolisme vs.
co-metabolisme

PAH'er bliver mikrobielt nedbrudt ved to forskellige mekanismer, enten hvor det enkelte stof kan udnyttes som eneste kulstof- og energikilde, eller ved co-metabolisme, hvor stoffet ikke indgår som energi eller kulstofkilde, men hvor nedbrydningen er katalyseret af enzymer dannet ved omsætning af et primært substrat. Generelt nedbrydes de lettere PAH'er (2- og 3-ringede) fuldstændigt i mange forskellige miljøer og af mange forskellige mikro-organismer, hvorimod de tungere PAH'er typisk nedbrydes ved co-metabolisme (Jensen, 1996). Som et eksempel på dette forhold er der ved forsøg udført af Beckles et al. (1998) undersøgt for effekten af nedbrydning af fluoranthen alene og i blanding med naphthalen og acenaphthen. Der blev ikke observeret nedbrydning af fluoranthen alene, men ved tilsætning af naphthalen påbegyndtes nedbrydningen. Tilsætning af acenaphthen havde ikke en effekt på fluoranthen nedbrydning. Fluoranthen nedbrydningen op-hørte, da alt naphthalen var nedbrudt. Denne mekanisme viser, at fluoranthen i dette tilfælde nedbrydes ved co-metabolisme sammen med naphthalen.

Bilag A

I bilag A er der givet en generel beskrivelse af væsentlige mekanismer ved biologisk nedbrydning af miljøfremmede stoffer. Bilaget er i væsentlig grad et udtræk fra Miljøprojekt nr. 408 "Naturlig nedbrydning af miljøfremmede stoffer i jord og grundvand" (Kjærgaard et al., 1998).

4.2 Nedbrydningshastighed

I dette afsnit beskrives hastigheden, hvormed PAH'er kan nedbrydes udfra fra data indhentet ved laboratorieskala forsøg. Forsøgsbetingelser varierer, hvilket delvist kan forklare observationen af forskellige nedbrydningshastigheder, se tabel 4.1. Det ses af tabellen, at der er demonstreret nedbrydning af stort set alle de undersøgte PAH'er under både aerobe og anaerobe forhold. Det største antal referencer beskriver aerobe forsøg (19 stk.), mens der er 5 referencer, som beskriver anaerobe forsøg. Det bemærkes, at der tillige er en lang række artikler, hvor forsøgs-resultaterne ikke kan tilpasses den i tabellen anvendte enhed for nedbrydnings-hastighed. Anderson & Lovley (1999) er den eneste reference, hvor der beskrives nedbrydning af PAH'er (kun naphthalen) under jernreducernede forhold, hvilket beskrives nærmere i afsnit 5.2.

Nedbrydningen af PAH'er afhænger af såvel struktur af de enkelte PAH'er, som af en række eksterne faktorer. Dette belyses nærmere i det følgende.

Tabel 4.1 Se her!
Nedbrydningsrater af PAH’er ved laboratorieforsøg.
I tabellen er anført nummer på reference. Henvisning til referencer ses af tabel 4.2.

Tabel 4.2
Referenceliste for tabel 4.1.

4.2.1 Betydning af PAH’ers egenskaber

Af tabel 4.1. ses, at der er en rækkefølge i nedbrydningshastigheden, hvor de refererede forsøg generelt beskriver en aftagende nedbrydningshastighed ved stigende molekylvægt af PAH’erne (stofferne er tabelleret efter stigende molekylvægt). Denne tendens fremgår tydeligere, når forsøgene iagttages enkeltvis.

Som eksempel på en rækkefølge i nedbrydningshastigheden for den tungere ende af PAH’erne under aerobe forhold ser Wischmann & Steinhart (1997) en tilsvarende aftagende hastighed ved stigende molekylvægt. Dette er illustreret ved figur 4.1. (i figuren er anført antal ringe og molekylvægt).

Figur 4.1
Nedbrydning af PAH’er over tid (Wischmann & Steinhart ,1997).
Bemærk, at der på figuren er anført antal ringe og molekylvægt for PAH’erne.

Betydning af substituenter

Der er generelt en langsommere nedbrydningshastighed for alkylsubstituerede PAH’er i forhold til de usubstituerede. Dette er undersøgt ved en række forsøg med alkylsubstituerede naphthalener og phenanthrener under aerobe og anaerobe forhold (Budzinski et al., 1998, Madsen & Kristensen, 1997, Rockne & Strand, 1998, Chaudhry, 1994).

Hastigheden er som nævnt afhængig af molekylvægten/antallet af ringe og substitueringen af PAH’erne. Af tabel 4.3 ses, at der er observeret en aftagende nedbrydningshastighed med stigende antal ringe/molekylvægt, samt stigende grad af substituering. Dette er opsummeret af Chaudhry (1994) udfra erfaringer med nedbrydningsforsøg med PAH’er i sedimenter fra kystnære områder.

Tabel 4.3
Nedbrydningshastighed af PAH’er (Chaudhry,1994).

Effekt af molekylestruktur

Betydningen af forskellige egenskaber ved PAH’er for nedbrydning i jord er undersøgt af Kordybach (1998). Ved undersøgelserne er anvendt 10 forskellige jordtyper med forskelligt organisk indhold og pH-værdi. Jorden blev tilsat fluoren, anthracen, pyren og chrysen, hvorefter nedbrydningen af stofferne blev fulgt over 180 dage. Resultaterne fra forsøgene blev statistisk behandlet, hvorved sammenhænge mellem nedbrydningsrater og PAH’ernes egenskaber menes at kunne beskrives. Det blev fundet, at betydningen af egenskaber for PAH’ers persistens aftager i følgende rækkefølge:

MSA (Molekyle overfladeareal) > log K_OW >> K_H (Henry’s konstant)

Ovenstående kan alternativt udtrykkes som:

Molekyle overfladeareal > Hydrofobicitet >> Flygtighed/Opløselighed

Erfaringerne fra Kordybach (1998) underbygger det tidligere omtalte, at nedbrydningen af PAH’er er stærkt afhængig af molekyle størrelsen, samt bindingen til kulstof i jorden.

4.2.2 Betydning af eksterne faktorer

Nedbrydning i vandfasen

Ved nedbrydningsforsøg med benzo(a)pyren og dibenzo(a,h)anthracen konkluderer Juhasz et al. (1997b), at der er 10-17 gange større nedbrydning i vandfasen end i jordfasen. Forsøget viser, at PAH’ernes tilgængelighed til vandfasen kan være årsagen til deres meget begrænsede nedbrydning under naturlige forhold. Ved forsøget anvendtes en bakteriekultur, som er isoleret fra gasværksjord. Bakteriekulturen er herefter opvokset på pyren. Nedbrydningsforsøgene er udført i forsøgskolber ved 30°C, hvor der er tilført bakteriekultur sammen med sterilt jord og tilsatte PAH’ere.

Vandindhold

Jordens vandindhold har betydning for nedbrydningen af PAH’er. Ved forsøg med jord, som havde et totalvandindhold på under 5% blev der set en meget lille nedbrydning af PAH’er over en forsøgsperiode på flere år, hvorimod nedbrydningspotentialet øgedes betydeligt efter at totalvandindholdet i den samme jord blev hævet til 18 % (Haeseler et al., 1999). Til sammenligning skal det anføres, at markkapaciteten er 15-35 % afhængig af jordtypen (Miljøstyrelsen, 1998a).

Betydning af PAH-koncentrationer

Der kræves en vis mængde (eller koncentration) PAH tilgængelig for mikroorganismerne, førend nedbrydningen bliver væsentlig. Ved forsøg har Johnson & Ghosh (1998) observeret en relativ lille nedbrydning af naphthalen ved en lav koncentration på ca. 0,5 mg/kg. Den laveste koncentration, hvor der observeres nedbrydning, benævnes ofte tærskelværdien.

Generelt ses der ved nedbrydningsforsøg en stigende nedbrydningsrate ved stigende koncentrationer af PAH’er (Chaudhry, 1994).

Der findes dog en maksimal koncentration af PAH’er, hvor nedbrydningen af PAH’er inhiberes grundet stoffernes toksicitet overfor mikroorganismerne (Lantz et al., 1997). Lantz et al. (1997) så ved nedbrydningsforsøg, at tilsætning af rene PAH’er medførte en meget større inhibering end ved tilsætning af ældet tjære.

Redoxforhold

Det fremgår af de foreliggende referencer, at den aerobe nedbrydning generelt forløber hurtigere end den anaerobe nedbrydning jf. tabel 4.1. Dette er i øvrigt i overensstemmelse med, hvad der typisk observeres for miljøfremmede stoffer (Kjærgaard et al., 1998). Af tabellen fremgår det videre, at der er fundet referencer, som beskriver nedbrydningen under alle redoxbetingelser på nær under jern-/manganreducerende forhold. Der er i enkelte tilfælde observeret nedbrydning under jernreducerende forhold, hvilket er beskrevet i afsnittet om nedbrydning i grundvand (5.2).

Iltkoncentrationer

Der ses jf. figur 4.2 en sammenhæng mellem iltkoncentrationen og nedbrydningen af pyren i jord. Hurst et al. (1996) har udført en række laboratorieforsøg med PAH-forurenet jord fra et jordrensningsfirma. Jorden er dels forurenet med PAH’er samt yderligere tilsat 11,5 mg ¹⁴C-pyren pr. kg jord. Ved målinger af omsætningen af ¹⁴C-pyren ses der ved en iltkoncentration på 0% en nedbrydning på 13 % over 70 dage. Ved iltkoncentrationer fra 2% og opefter blev der nedbrudt ca. 50% på 70 dage. Tilsvarende sammenhæng ses ved nedbrydningen af den pyren, som jorden i forvejen var forurenet med.

Figur 4.2
Restforurening af pyren afhængig af iltkoncentrationen (Hurst et al.,1996).

Temperatur

Nedbrydningshastigheden for PAH’er stiger med stigende temperatur op til en vis grænse (Kohring et al., 1995, Chaudhry, 1994). Dette forhold er illustreret ved figur 4.3., hvor der ses et tydeligt optimum for nedbrydning omkring 30-35°C. Resultaterne stammer fra forsøg med en Pseudomonas stamme, som er isoleret fra PAH-forurenet jord, hvor nedbrydningen af fluoren og fluoranthen er undersøgt ved forskellige temperature (Kohring et al.,1995). Tilsvarende er der fundet betydeligt øgede nedbrydningsrater (op til 4 gange) af naphthalen, phenanthren og anthracen ved stigning i temperatur fra 10 til 30°C (Chaudhry, 1994).

Figur 4.3
Nedbrydning af PAH’er i afhængig af temperatur (Kohring et al., 1995).

Laboratorieforsøg er oftest udført ved stuetemperatur (20-25°C)., hvilket jf. figur 4.3 giver betydelig større nedbrydningsrater end ved temperaturer, som forventes i ikke overfladenær jord og grundvand (ca. 10°C).

Sammenhængen mellem temperaturen og nedbrydningshastigheden kan forklares ved, at der ved stigende temperatur er en øget mikrobiel aktivitet.

Mineraler og cyanid

Ved forsøg af Clesceri et al. (1996) er effekten af mineraler og cyanid på nedbrydningen af PAH’er undersøgt ved to forsøg, hvor følgende effekter blev observeret:

1. Særligt for naphthalen sås en større omsætning ved tilstedeværelse af supplerende mineraler. Dette blev undersøgt ved nedbrydningsforsøg med jord fra et gasværk, hvor der blev tilsat regnvand med og uden tilførelse af ekstra mineraler.
2. Pga. cyanids toksicitet overfor mikroorganismerne, ses en hæmning af nedbrydningen af phenanthren ved cyanidkoncentrationer over 5 mg/l. Dette blev undersøgt ved forsøg med tilsat phenanthren og tilsat cyanid i forskellige koncentrationer.

Næringsstoffer

Der er lidt forskellige erfaringer med tilførelse af næringsstoffer til nedbrydningsforsøg:

Organisk indhold

Nedbrydningen af PAH’er er afhængig af jordens indhold af organisk materiale, idet stigende mængde organisk materiale giver stigende sorption af PAH’erne til jorden og dermed en mindre biotilgængelig mængde PAH. Denne sammenhæng er belyst ved forsøg med tre typer jord, hvor der blev tilsat fluoranthen og benzo(a)pyren. Jf. figur 4.4 er den aerobe nedbrydning af fluoranthen over 112 dage fundet omvendt afhængig af jordens indhold af organiske materiale, idet omsætningen er mindst i tørvejorden, hvor det organiske indhold er størst.. En tilsvarende sammenhæng ses ikke i forsøgsperioden for benzo(a)pyren, som i øvrigt omsættes minimalt (Zweerts et al., 1999).

Figur 4.4
Nedbrydning af PAH’er i to jordtyper med forskelligt organisk indhold (Zweerts et al., 1999).

Peat=tørv og Loam=Lermuld.

Inhibering fra N-heterocykliske aromater

Basisk > Sur > Neutral.

Opløsning og dermed mobilisering af PAH’er kan øges ved tilstedeværelse af overfladeaktive stoffer (detergenter). Detergenternes kemiske struktur forårsager en opkoncentrering af detergenterne på overgange mellem f.eks. vandfase og fri fase forurening. Denne resulterer efterfølgende i dannelse af miceller bestående af hydrofobt stof (f.eks. PAH) omgivet af detergent molekyler. Micelledannelsen sikrer herefter, at PAH holdes opløst i vandfasen. Disse egenskaber muliggør anvendelse af detergenter ved oprensning af PAH-forurenet jord (Carlsen et al.,1997).

Dannelse af PAH-nedbrydende enzymer

Hvide forrådnelsessvampe (White Rot fungi) er kendt for deres dannelse af ekstracellulære enzymer, som under de rette betingelser hurtigt kan nedbryde bl.a. PAH’er. Svampene undersøges primært for deres anvendelighed i forbindelse med oprensningsmetoder som milekompostering etc. (Kotterman et al., 1999, Bogan & Lamar, 1999, Rodríguez et al., 1999). Ved forsøg hos en jordrenser kunne man dog ikke eftervise en effekt af tilsætning af hvide forrådnelsessvampe ved milekompostering (Frederiksen, 1998).

Regnorme øger nedbrydning

Der er påvist en mindre effekt af tilstedeværelsen af regneorme på nedbrydning af fluoranthen og phenanthren i jord. Ved undersøgelserne blev det ikke klarlagt om det var beluftningen af jorden eller regnormenes optag af PAH, som gav en fjernelse af PAH’er fra jorden (Ma et al., 1995).

4.3 Nedbrydningsveje

Aerob bakteriel nedbrydning

Under aerobe forhold nedbrydes PAH’er typisk bakterielt (mikrobiologisk) ved oxidation af en af aromat-ringene via den korresponderende dihydrodiol til cathecholen, hvorefter ringen spaltes i ortho- eller meta-stillingen til de korresponderende carboxylsyrer eller aldehyder. Efter evt. fraspaltning af alifatisk carboxylsyre oxideres den næste aromat-ring etc. (Mueller et al. 1996, Rehmann et al. 1998, Schneider et al. 1996, Suzdorf et al. 1994).

Nedbrydningsveje

Nedbrydningen af PAH’er er eksemplificeret ved nedbrydningsveje for naphthalen, phenanthren, pyren og benz(a)pyren i figur 4.5. Mere detaljerede nedbrydningsveje for phenanthren og fluoren er anført i bilag B, hvor der er vist udtræk fra Minnesota Universitets database for nedbrydningsveje (Minnesota University, 1999). Det fremgår af bilag B, at der findes en række forskellige nedbrydningsveje afhængigt af om PAH’erne nedbrydes af bakterier eller svampe.

Figur 4.5 Se her!
Bakterielle nedbrydningsveje for naphthalen (Minnesota University, 1999), phenanthren (Suzdorf et al. 1994), pyren (Rehmann et al. 1998) og benzo(a)pyren (Schneider et al. 1996) under aerobe forhold.

Metabolit nedbrydning

Rehmann et al. (1998) fandt at de fleste pyren-metabolitter nåede deres maksimalkoncentration når bakteriekulturen gik ind i den stationære vækstfase og derefter løbende aftog i koncentration. Dette blev af forfatterne tolket som tegn på at der ikke dannedes nogen svært nedbrydelige ("dead-end") nedbrydningsprodukter. Dette er eksemplificeret ved nedbrydning af pyren og dannelse samt nedbrydning af metabolitter heraf i figur 4.6 (Rehmann et al., 1998).

Figur 4.6
Pyren nedbrydning samt metabolitdannelse og nedbrydning (Rehmann et al., 1998).

Svampe

I jord kan svampe også medvirke til mikrobiologisk nedbrydning af PAH’er under aerobe forhold. Svampe nedbryder typisk PAH’erne via aren-oxider til phenoler eller trans-dihydrodioler ved oxidation af en aromatring (Mueller et al., 1996).

I modsætning til bakterier, kan kun få svampe spalte aromatringe og mineralisere PAH’er. White Rot fungi (svampe som medvirker til forrådnelse af træ) oxiderer typisk en eller flere aromatringe i PAH’er til quinoner, som i nogle tilfælde efterfølges af ring-spaltning (Mueller et al., 1996).

Wischmann & Steinhart (1997) observerede dannelse af quinoner under nedbrydning af PAH’er i jord blandet med kompost. Quinonerne blev hurtigt nedbrudt. Der kan meget vel have været tale om successiv nedbrydning forårsaget af svampe og bakterier. Nedbrydningen af antracen og dannelse af metabolitten anthracen-9,10-dion er illustreret i figur 4.7.

Figur 4.7
Nedbrydning af anthracen og dannelse af metabolitten anthracen-9,10-dion (Wischmann & Steinhart 1997).

4.4 Opsummering

Nedbrydning ved laboratorieforsøg

Aerob nedbrydning af PAH’er må karakteriseres som veldokumenteret ved laboratorieforsøg. Tilsvarende er der ved laboratorieforsøg set nedbrydning under anaerobe forhold, men omfanget af dokumentation har ikke samme omfang. Ved laboratorieforsøg anvendes typisk mikroorganismer opformeret ved vækst på PAH-holdigt medie. Der er dog normalt tale om naturligt forekommende mikroorganismer, som er isoleret fra PAH-forurenet jord og grundvand

Nedbrydningsrater i laboratorierne

Ved forsøg er der under aerobe forhold set halveringstider fra <3 dage for naphthalen stigende til 30 - 300 dage for de tungere PAH’er, som f.eks. benzo(a)pyren. Under anaerobe forhold er der typisk set en lidt langsommere nedbrydning.

Betydning af PAH koncentrationen

Generelt ses der ved nedbrydningsforsøg en stigende nedbrydningsrate ved stigende koncentrationer af PAH’er. Den laveste koncentration, hvor der observeres nedbrydning benævnes tærskelværdien. Tilsvarende findes der en maksimal koncentration af PAH’er, hvor nedbrydningen af PAH’er inhiberes på grund af stoffernes toksicitet overfor mikroorganismerne. Typisk vil mikroorganismerne hæmmes af NSO-forbindelserne førend PAH-komponenterne ved tjæreforureninger.

Biotilgængelighed

Nedbrydningshastigheden af PAH’er afhænger af tilstedeværelse af organisk materiale, idet stigende mængde organisk materiale giver stigende sorption af PAH’erne og dermed kan resultere i, at en mindre mængde PAH er tilgængelig for biologisk nedbrydning.

Metabolit nedbrydning

Under nedbrydning af PAH’er dannes en række metabolitter. Der observeres dog typisk en videre nedbrydning af metabolitterne, hvorfor metabolitterne ikke ophobes.