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

Fytoremediering af forurening med olie- og  tjæreprodukter

3. PAH’er

3.1 Fysiske og kemiske egenskaber

PAH er forkortelsen for polycykliske aromatiske hydrocarboner. Denne betegnelse dækker over alle forbindelser med op til 7 kondenserede cykliske ringe. Ringene kan være benzenringe med 6 kulstofatomer eller ringe med 4 eller 5 kulstofatomer. Der kan være substituenter på en eller flere ringe. Teoretisk set er der derfor tusindvis af forbindelser, der hører under betegnelsen PAH. I praksis undersøger man kun et lille udvalg af PAH’erne. US-EPA (United States Environmental Protection Agency) har foreslået at fokusere på 16 forbindelser i to officielle analytiske metodebeskrivelser (HPLC og GC-FID) (US-EPA standard metode 8100 og 8310). Disse 16 forbindelser inkluderer de viste i tabel 3, også betegnet de 16 US-EPA-PAH’er.

Benzo(a)pyren, en 5-ringet forbindelse, er en af de mest omtalte PAH’er, hvilket skyldes dens meget høje carcinogene potentiale. Benzo(a)pyrens kræftfremkaldende egenskab skyldes dens omdannelse i leveren til et nedbrydningsprodukt, som er mutagent (Schnöder et al. 1996). Der findes ingen beviser for, at PAH’er er toksiske for planter. Tabel 3 viser de fysiske og kemiske egenskaber for de 16 US-EPA-PAH’er. Miljøstyrelsen i Danmark ser på summen af 7 enkeltstoffer, når analyseresultater med PAH-målinger vurderes. Disse er: fluoranthen, benzo(b)fluoranthen, benzo(k)fluoranthen, benzo(a)pyren, dibenzo(a,h)anthracen og indeno(1,2,3-cd)pyren (Miljøstyrelsen 1998a).

Tabel 3:

Se her!

Fysisk-kemiske egenskaber for PAH’er (Rippen, 1996). De viste er de 16 såkaldte US-EPA PAH‘er, som er inklusiv dem, der indgår i Miljøstyrelsens PAH vurderinger.

i.d.: ingen data; Molvægt i g/mol; P: mætningsdamptryk [Pa]; S: vandopløselighed [g/l]; K_AW: Henrys lov koefficient= fordelingskoefficient mellem luft og vand; K_OW: fordelingskoefficient n-oktanol til vand; K_OC: fordelingskoefficient organisk kulstof til vand

3.2 Typiske koncentrationer i jord

3.2.1 Diffus forurening

Diffus jordforurening er en forurening af overfladejord forårsaget af luftbåren spredning af partikler eller forårsaget af forurenet fyldmateriale (Miljøstyrelsen 1999b). PAH’er er allesteds-nærværende. De forekommer i al jord, dog i variable koncentrationer. Normalt er niveauet højere i byjord end i landjord (tabel 4). Ofte findes vidtstrakte områder med PAH-forurening langs floder, gader og motorveje og desuden i landbrugsjord, der har fået tilført spildevandsslam. De højeste PAH-koncentrationer findes i asfalt (5 til 10 g/kg), men disse er ikke biotilgængelige.

Tabel 4:
Typiske koncentrationer (mg/kg TS) af fluoranthen og benzo(a)pyren i forskellige jordtyper. Data stammer fra Ruhr området i Tyskland (Knoche et al. 1995).

I flere undersøgelser af diffus jordforurening i Danmark er der fundet PAH- forbindelser i koncentrationer et stykke over den minimumsgrænse, der er sat for ’ren’ jord. I Danmark er der indsamlet data for diffus jordforurening fra 14 amter, herfra foreligger der 19782 analyseresultater fra PAH-målinger på jordprøver. Alle disse data er indtastet i DifJord databasen (Miljøstyrelsen 1999b). Der er netop udgivet en rapport fra Amternes Videncenter for Jordforurening (AVJ 2000), hvori data i DifJord databasen er blevet statistisk vurderet. Da datamaterialet er enormt, er der ikke en statistisk gennemgang af samtlige analyseresultater, men derimod en række opstillede hypoteser, som forsøges besvaret. I forhold til forurening med PAH’er er det konkluderet, at der er en overbevisende sammenhæng mellem benzo(a)pyren og total PAH-koncentration i diffust forurenet jord. Denne konklusion fører til udnævnelsen af benzo(a)pyren som indikatorparameter for diffus PAH-forurening. Medianværdien for diffus jordforurening med total PAH er for Københavnsområdet på 8,825 mg/kg TS, hvilket svarer til en klassifikation som lettere forurenet. Den tilsvarende medianværdi for provinsen (resten af landet uden for Københavnsområdet) ligger under detektionsgrænsen.

Et typisk eksempel på diffus jordforurening er forureningen af jord under asfaltbelægning og i vejrabatter. Tal fra en undersøgelse i Vejle viser, at vejrabatjorden kan være forurenet med PAH’er svarende til klassifikation som lettere forurenet (Hedeselskabet 2000).

Undersøgelser af 2 km² jord på Østerbro og 1 km² jord i Brønshøj ved København viste forhøjede PAH-niveauer ned til 0,5 m dybde. Især niveauet af benzo(a)pyren var over kvalitetskriteriet for ren jord (Miljøkontrollen, 1999).

3.2.2 Punktkilder

PAH-forbindelser forventes især at være tilstede i forurening fra punktkilder som asfalt- og tjærevirksomhed, gasværker, skibsværfter og træimprægnerings-virksomhed (Miljøstyrelsen 1998a). Tal fra 1999 viser, at der er ca. 300 registrerede grunde med PAH/tjæreforurening og desuden 1960 fyld- og lossepladser med potentiel PAH-forurening. Antallet af gasværker, der er en af de store grupper af virksomheder med PAH-forurening, har været på lidt over 100 i Danmark (Miljøstyrelsen 1999a).

På gasværksgrundene er det ikke usædvanligt at finde et PAH-indhold i jorden mellem 1000 og 10000 mg/kg TS (Miljøstyrelsen 2001a). Hvilken jorddybde, denne forurening findes i, er ikke angivet.

I en undersøgelse af 5 tjærepladser, hvor der foregik tjæring af fiskegarn i Nordjyllands Amt, blev der fundet PAH-forurening, hvor de absolut højeste koncentrationer blev fundet i det øverste jordlag 10–20 cm under terræn. Udfra middelkoncentrationer af dibenzo(a,h)anthracen og benzo(a)pyren (middelværdier: hhv. 2,4 og 13 mg/kg våd jord) kan denne topjord betegnes som hhv. forurenet og kraftigt forurenet. For koncentrationen af summen af de 16 US-EPA-PAH’er aftager den kraftige forurening til ca. 1/10 i dybder under 30 cm under terræn. Man skal grave dybere end 1,5 m under terræn, før jorden gennemsnitligt kan beskrives som værende ren eller lettere forurenet. Her er middelværdierne for dibenzo(a,h)anthracen og benzo(a)pyren på hhv. 0,04 og 0,8 mg/kg våd jord. Alene i Nordjyllands Amt er der 140 tjærepladser med et samlet areal på knapt 200 ha (AVJ 1999).

3.3 Biotilgængelighed

For at mikroorganismer eller planter kan optage og nedbryde organiske forbindelser, skal disse være tilstede i opløst form. Hvor stor en del, der opløses, bestemmes af fordelingskoefficienten mellem jord-matrix og vand i jorden, den såkaldte K_B. Adsorptionen af organiske, lipofile forbindelser er en funktion af K_OC (tabel 3) og af indholdet af organisk bundet kulstof i jorden. Rækkefølgen for biotilgængelighed for PAH’er er følgende:

acenafthylen > nafthalen > acenafthen > fluoren > anthracen = fenanthren > pyren > fluoranthen > chrysen > perylen > benzo(a)anthracen > benzo(a)pyren > benzo(b)fluoranthen = benzo(k)fluoranthen > indenopyren > dibenzo(a,h)anthracen > benzo(g,h,i)perylen

Modstanden mod mikrobiel nedbrydning stiger direkte med molekylvægten og log K_OW, og falder med opløselighed i vand. Disse forhold kan forklares med biotilgængelighed, eftersom større og mere fedtopløselige molekyler er mindre biotilgængelige end mindre og mere vandopløselige (Cerniglia 1992, Shiaris 1989, Bauer & Capone 1988). Det er blevet observeret, at de mest biotilgængelige forbindelser nedbrydes i betydelige mængder, hvorimod de meget lipofile PAH’er er yderst svært nedbrydelige (Reilley et al. 1996).

3.4 Mikrobiel metabolisme i rhizosfæren

Mikrobiel metabolisme er udelukkende beskrevet at forekomme under aerobe forhold. I anaerobe jorder og sedimenter kan PAH’erne blive liggende nærmest uendeligt (Shiaris 1989).

Mikrobiel nedbrydning af de mindre PAH’er nafthalen, anthracen og acenafthen er veldokumenteret i litteraturen. Kendskabet til mikrobiel nedbrydning af PAH’er med større molekylvægt er meget mindre (Cerniglia 1992).

PAH’er kan blive fuldstændigt nedbrudt til CO₂ og H₂O (mineraliseret), eller de kan blive omdannet til metabolitter. Metabolitterne er mere polære end den oprindelige forbindelse. Herved skabes der en teoretisk risiko for kontaminering af grundvand, eftersom mere polære forbindelser er mere mobile i jorden. Metabolitter fra omsætning af PAH kan også være mere toksiske end den oprindelige forbindelse. Forskellige bakteriestammer, som er i stand til at nedbryde PAH’er, er blevet isoleret fra forurenet jord og sediment. Disse stammer hører til slægterne Aeromonas, Alcaligenes, Bacillus, Beijerinckia, Pseudomonas, Rhodococcus, Mycobacterium, Flavobacterium og Sphingomonas (Cerniglia 1992).

De fleste publicerede undersøgelser af metabolisme af PAH’er er blevet udført med en enkelt forbindelse ad gangen, og med PAH som den eneste energi- og kulstofkilde. I mange tilfælde er der benyttet renkulturer i vandige opløsninger. En ekstrapolering af resultaterne fra sådanne forsøg til forhold i forurenet jord på en åben mark kan være ganske usikker. Det er nødvendigt at evaluere en masse faktorer, heriblandt interaktioner mellem mikroorganismer, effekterne af blandinger af PAH’er og andre substanser samt forhold i jorden på den mikrobielle nedbrydning (Smith 1990).

Det er velkendt, at PAH-nedbrydende bakterier ofte udviser lav specificitet overfor substrater. Det formodes at være grunden til, at en enkelt stamme ofte er i stand til at omsætte adskillige forskellige PAH’er. I de fleste tilfælde vides det ikke, om det er det samme enzymsystem, der medvirker ved forskellige substraters omdannelse (Stringfellow & Aitken 1995).

Det første trin i den bakterielle metabolisme af PAH følger generelle nedbrydningsveje. Først bliver begge iltatomer i molekylært oxygen inkorporeret i PAH-forbindelsen. Dette trin katalyseres af dioxygenaseenzymer, og det resulterer i dannelsen af cis-dihydrodiol forbindelser. Disse omdannes yderligere til cis-dihydroxylerede metabolitter, herved gendannes den aromatiske struktur. Næste trin, hvor den aromatiske ring åbnes, er også katalyseret af dioxygenase-enzymer. For dette trin er der to mulige reaktionsveje: ortho- eller metakløvning. De aromatiske ringe bliver herefter med denne type kløvning nedbrudt en ad gangen. En velkendt metabolit fra bionedbrydningen af nafthalen er salicylsyre. De generelle principper for PAH-nedbrydning kan ses eksemplificeret ved de velundersøgte trin i nedbrydningen af naftalen på figur 3 (Smith 1990).

De metaboliske produkter kan blive akkumuleret (dead-end produkter) i renkulturer. I blandingskulturer, som i miljøet, vil disse produkter ofte nedbrydes yderligere af andre mikroorganismer (Boonchan et al. 2000).

Se her!

Figur 3:
Bionedbrydning af nafthalen (Smith 1990)

3.5 Overførsel fra jord til plante

Overførsel af PAH’er fra jord til plante er velbeskrevet i litteraturen. Generelt er overførselsfaktorerne for PAH’er fra jord til plante lave, og de ser ud til at falde med stigende antal aromatiske ringe (Trapp et al. 1998). Overførselsfaktoren for benzo(a)pyren fra jord til plante er i de fleste tilfælde under 0,01 (tørvægtsbaseret) (Knoche et al. 1995), højst for rodfrugter og for bladgrøntsager, der vokser nær jordoverfladen (salat, Lactuca, og spinat, Spinacea oleracea). For gulerod, Daucus carota, falder værdien af overførselsfaktoren med stigende lipofilicitet (figur 4). For rodfrugter sker overførslen hovedsageligt til de tynde rødder og til skrællen (figur 5). Bladgrøntsager kan blive kontamineret fra resuspenderede jordpartikler (støv). Translokering af benzo(a)pyren i planter anses for at være ubetydelig (Trapp et al. 1998, Knoche et al. 1995, Harms 1975).

Figur 4:
Overførselsfaktor fra jord til gulerod (tørvægt) mod log K_ow af PAH; data fra Knoche et al. (1995) for benzo(a)anthracen, benzo(a)pyren, benzo(b)fluoranthen, dibenz(a,h)anthracen, indenopyren og benzo(g,h,i)perylen.

Figur 5:
Overførselsfaktor til forskellige planter for benzo(a)pyren, TF data fra Knoche et al. 1995. Data er samlet fra forskellige eksperimenter, jorder, koncentrationer, anvendelser, høsttidspunkter osv. Dette er årsagen til, at forskellige værdier for samme grøntsag er vist.

I artiklen af Wild & Jones (1992) beskrives optag af PAH fra slambehandlet jord i gulerødder, Daucus carota. Gulerodstoppene var upåvirkede af slambehandlingen, hvorimod koncentrationen i skrællen varierede med slam- (og dermed PAH) tilførslen. Koncentrationerne i rødderne var dog signifikant lavere end i toppene. PAH-indholdet i toppene menes at komme fra optag af PAH fra atmosfæren, og ikke en påvirkning med støv fra jorden som i ovennævnte artikel. Optag af PAH fra atmosfæren er bekræftet (Wild et al. 1992) gennem forsøg, hvor planteprøver helt tilbage fra år 1900 er analyseret for PAH-indhold. Planterne stammer fra et græsningsområde, der ikke var blevet tilført gødning eller anden jordforbedring gennem alle årene. Ligeledes er PAH-optag fra atmosfæren foreslået med baggrund i forsøg med byg, Hordeum (Kirchmann & Tengsved 1991). Byg blev sået i jord med og uden forskellige typer gødning. Jorden og gødningen blev analyseret separat og indeholdt ikke PAH over detektionsgrænsen. PAH kunne derimod findes i lave koncentrationer (µg/kg niveau) i de høstede bygkorn, hvilket menes at være et resultat af PAH-optag fra atmosfæren.

Nogle planter af græskarfamilien, Cucumis, kan mobilisere og effektivt translokere PAH’er (Th. Delschen, personlig meddelelse). Når den er opløst i olie, kan benzo(a)pyren optages i hvede, Triticum aestivum, og rug, Secale cereale, og herefter blive translokeret til plantedele over jorden. Ingen gavnlige eller skadelige effekter af optaget blev observeret. Der blev ikke observeret optag fra en næringsopløsning eller fra jord, når PAH’erne var tilstede i en uopløselig form (Dörr 1970).

I en undersøgelse af planterødders affinitet for nafthalen (og dermed også et studie af muligheden for efterfølgende optag og / eller nedbrydning) blev adsorption til rødder kvantificeret i forskellige plantearter (Schwab et al. 1998). Udfra undersøgelserne blev det konkluderet, at rodens lipidindhold er en kontrollerende faktor for adsorptionen. Lucernerødder viste sig at have et større lipidindhold end rødder fra svingel, Festuca,, og de havde ca. dobbelt så stor affinitet for nafthalen på trods af, at svingelrødder har et større overfladeareal per masseenhed af roden.

3.6 Metabolisme i planter

I plantecellekulturer omsættes PAH’er hurtigt. I sojabønne, Glycine max, cellekulturer blev 80,6% af den tilførte mængde benzo(a)pyren metaboliseret på 2 dage. Metabolitterne var enten polære (49,7% af den tilførte mængde) eller bundne restforbindelser (15,6% af den tilførte mængde). I hvede, Triticum aestivum, cellekulturer blev 48,3% af den tilførte mængde benzo(a)pyren nedbrudt. 22,7% af den tilførte mængde blev omdannet til polære metabolitter og 9% til bundne restforbindelser (Harms & Langebartels 1986).

Nakajima et al. (1996) observerede, at pyren omsættes i træagtige planter til hyroxypyren-glykosid konjugater, som er mobile i planter.

Harms et al. (1977) identificerede metabolitter af benzo(a)pyren i gåsefods-, Chenopodium, cellekulturer. Sammenlignet med metabolitter fra human lever, er metabolitterne i planteceller generelt mere polære. De identificerede metabolitter var benzo(a)pyren-3,6-quinon, benzo(a)pyren-1,6-quinon og 7,8-dihydro-7,8-dihydroxybenzo(a)pyren. Nogle af metabolitterne kunne først ekstraheres efter hydrolysering og blev isoleret som polære forbindelser eller i proteinfraktionen. Dette indikerer, at metabolitterne er koblet til proteiner og nukleinsyrer. Dette fund er bemærkelsesværdigt, fordi bindingen af benzo(a)pyren metabolitten 7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid-2-benzo(a)pyren til DNA forårsager kræft hos dyr og mennesker.

Edwards (1986) bestemte omsætningsvejene af ¹⁴C-mærket anthracen i buskbønneplanten, Phaseolus vulgaris. På høsttidspunktet blev 60% af den samlede ¹⁴C dosis genfundet i rødderne, 3% i stænglerne, 3% i bladene, 0,1% i skuddene, 17% i næringsopløsningen og 16% kunne ikke genfindes. Udfra kemiske analyser blev 8,7% af den tilførte anthracen genfundet uændret i rødder, 1,5% i næringsopløsningen, 0,53% i stænglerne og 0,03% i bladene. Mere end 90% af metabolitterne blev fundet i plantevæv.

3.7 Toksicitet for planter

For salat blev EC₅₀ (50% reduceret vækst) bestemt til 25 til 37 mg/kg jord for acenafthen og 100 mg/kg til >100 mg/kg jord for nafthalen (Hulzebos et al. 1993). PAH’er med mere end 3 ringe er ganske toksiske for akvatiske planter men ikke overfor terrestriske planter. Årsagen til dette er sandsynligvis en nedsat biotilgængelighed forårsaget af en stærk adsorption til partikler i jorden. For eksempel har fluoranthen en EC₅₀ værdi (for vækst) overfor grønalgen, Scenedesmus subspicatus, på kun 0,012 mg/l. EC₅₀ værdien for havre, Avena sativa og majroe, Brassica rapa, er i jord over 1000 mg/kg (Rippen 1999).

Gräf & Novak (1966) fandt, at små mængder benzo(a)pyren i vand (10 µg/l) stimulerer væksten af grønkål, Brassica oleracea L. var. sabellica, tobak, Nicotiana tabacum, og rug, Secale cereale, op imod 20%. Det samme resultat blev fundet for dibenzo(a,h)anthracen og benzo(a)anthracen. Hele undersøgelsen er dog tvivlsom, fordi vandopløseligheden af disse forbindelser er under den dosering, som artiklens forfattere påstår at have benyttet. Trapp og Christiansen fandt dog, at poppel, Populus, og piletræer, Salix, som voksede i jord med 45 mg/kg PAH’er (primært 4 til 6 ringede forbindelser), voksede bedre end kontrolplanter (indberetning til Hedeselskabet Miljø og Energi, upubliceret iagttagelse).

Mange planter kan selv danne PAH-lignende forbindelser gennem deres sekundære metabolisme. F.eks. har alkaloider fra valmue, Papaver, en fenanthrenlignende struktur. Orkidéer, Orchis, kan ligeledes danne et fenanthrenlignende derivat, orchinol, for at beskytte planten mod bakteriel infektion (Larcher 1995).

3.8 Nyeste fytoremedieringsprojekter

Pradhan et al. (1998) har testet seks forskellige plantearter for deres evne til at rense op på en tidligere gasværksgrund kontamineret med PAH’er i total koncentrationer på 200 mg/kg til 1000 mg/kg. Lucerne, Medicago sativa, og skærmaks, Panicum virgatum, kunne fjerne 57% af den totale mængde PAH på seks måneder, sammenlignet med en elimination på 26% på kontroljord uden planter. Reilley et al. (1996) sammenlignede ændringerne i PAH- koncentrationerne i jord med og uden beplantning i et drivhusforsøg. Elimineringen af anthracen fra jord skete hurtigt, og blev bedst stimuleret (op til 44% større nedbrydning) med lucerne, Medicago sativa, sammenlignet med svingel, Festuca arundinacea, og to skærmaks, Sorghum vulgare og Panicum virgatum, og desuden sammenlignet med jord uden beplantning. Elimineringen blev formodet at være forårsaget primært af nedbrydning i rhizosfæren.

En undersøgelse foregik i lerjord på et område, hvor der var blevet produceret alkener (Qiu et al. 1997). For bøffelgræs, Buchloe dactyloides, blev der efter 3 år observeret en signifikant reduktion af nafthalen-indhold sammenlignet med utilplantet jord. Skærmaks-planten Panicum coloratum blev dog vurderet at være klart overlegen sammenlignet med alle andre plantearter og utilplantet jord. De målte PAH-koncentrationer i jord, hvor denne plante havde groet, var enten under detektionsgrænsen eller én til to størrelsesordner mindre end i utilplantet jord og i jord, hvor andre græsarter havde groet. Skærmaksplanten groede også bedre end de andre undersøgte græsarter. Undersøgelserne fra Qiu viser, at det kan betale sig at undersøge planterne for deres overlevelsesevner og metaboliske kapacitet, før man tager dem i anvendelse ved fytoremediering. Der bør bemærkes, at koncentrationen af PAH ved eksperimentets start kun var på 0,1 til 5 mg/kg. De anvendte græsarter er ikke umiddelbart anvendelige i Danmark.