Διέγερση της δράσης αρσενοαναγωγικών μικροοργανισμών σε ρυπασμένα και μη ρυπασμένα εδάφη

Abstract

Η αύξηση του ποσοστού του αρσενικού στα εδάφη, σε όρια που υπερβαίνουν κατά πολύ τα επιτρεπτά, αποτελεί σημαντικό παράγοντα κινδύνου, τόσο για το εκάστοτε οικοσύστημα, όσο και για τον άνθρωπο καθώς η κινητοποίηση του αρσενικού από εδάφη και ιζήματα έχει ως πιθανό αποτέλεσμα τη ρύπανση των υπόγειων νερών αποτελώντας έτσι σημαντική πηγή κινδύνου για την ανθρώπινη υγεία. Οι μεταλλευτικές και μεταλλουργικές δραστηριότητες, η κατεργασία του ξύλου και η παρασκευή εντομοκτόνων αποτελούν τις κυριότερες πηγές ρύπανσης σε αρσενικό των εδαφών, των ποταμών και των λιμνών και το ενδιαφέρον για αναζήτηση τεχνικών αποκατάστασης έχει ενισχυθεί σημαντικά τις τελευταίες εκαετίες. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την κινητικότητα του αρσενικού στο έδαφος είναι το pH, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό του εδαφικού διαλύματος, η παρουσία άλλων στοιχείων, η περιεκτικότητα του εδάφους σε οργανική ύλη, η παρουσία γηγενών μικροοργανισμών και οι συγκεντρώσεις των διαφόρων χημικών μορφών του αρσενικού στο εκάστοτε εδαφικό δείγμα. Έτσι, οι μεταβολές των παραπάνω παραμέτρων έχουν ως αποτέλεσμα αντίστοιχες μεταβολές στη χημική μορφή και την κινητικότητα του αρσενικού με περιβαλλοντικές συνέπειες όπως την έκλυση αέριων αρσίνων που προέρχονται από τη διαδικασία της μεθυλίωσης ή τη μετανάστευση του αρσενικού στα νερά. Το αρσενικό στα επιφανειακά εδάφη βρίσκεται κατά το μεγαλύτερο μέρος του στην πεντασθενή οξειδωτική βαθμίδα σε συνύπαρξη με τα ένυδρα υδροξείδια του μαγγανίου, του αλουμινίου και κυρίως του τρισθενούς σιδήρου. Βρίσκεται είτε προσροφημένο στην επιφάνεια σιδηροξειδίων όπως ο γκαιτίτης και ο λειμωνίτης, είτε σε μορφή κρυσταλλικών ενώσεων του σιδήρου με το αρσενικό όπως ο σκοροδίτης (FeAsO4.2H2O). Το τρισθενές αρσενικό εμφανίζεται σε χαμηλότερους ορίζοντες, όπου επικρατούν αναερόβιες συνθήκες. Είναι περισσότερο ευκίνητο σε σύγκριση με το πεντασθενές και η διαλυτότητα των αρσενικωδών ενώσεων είναι σύμφωνα με τη βιβλιογραφία τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από αυτή των ενώσεων του πεντασθενούς αρσενικού . Η αξιοποίηση του μεταβολισμού ενδογενών μικροοργανισμών από εδάφη και νερά για την εξυγίανσή τους από μέταλλα και μεταλλοειδή, αποτελεί μια εύκολη, περιβαλλοντικά φιλική και φθηνή μέθοδο επεξεργασίας που στηρίζεται στη μεταβολή της οξειδωτικής βαθμίδας των μετάλλων και τη μετατροπή τους σε μια πιο ευδιάλυτη μορφή που ευνοεί την απομάκρυνσή από τη στερεά φάση και την παραλαβή τους από ένα υδατικό διάλυμα. Οι ενδογενείς μικροοργανισμοί των εδαφών επηρεάζουν συχνά την κινητικότητα μετάλλων και μεταλλοειδών μέσω της μεταβολής της οξειδωτικής τους βαθμίδας. Κάτω από αναερόβιες συνθήκες πραγματοποιείται συνήθως αναγωγή, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις όπως αυτή του αρσενικού, συμβάλλει στην αύξηση της κινητικότητας του ρύπου, μετατρέποντας το πεντασθενές As(V) στην περισσότερο ευδιάλυτη τρισθενή βαθμίδα, As(III). Διάφορες περιβαλλοντικές μελέτες έχουν καταδείξει ότι συγκεκριμένες βιοχημικές διεργασίες μπορούν να μεταβάλλουν την οξειδωτική βαθμίδα του αρσενικού και να οδηγήσουν στην αποδέσμευσή του με άμεσο ή έμμεσο τρόπο. Μέχρι σήμερα, έχουν απομονωθεί αρκετά στελέχη μικροοργανισμών που μπορούν να επιτυγχάνουν τόσο την 7 οξείδωση όσο και την αναγωγή του αρσενικού κατά τη διαδικασία του μεταβολισμού τους από εδάφη και ιζήματα με υψηλές συγκεντρώσεις σε αρσενικό. Σε ότι αφορά την αναγωγή του As(V) έχουν απομονωθεί πληθυσμοί που μπορούν να ανάγουν άμεσα το αρσενικό στην τρισθενή του μορφή όπως οι Geospirillum arsenophilus (είδος MIT-13), Geospirillum Barnesi (είδος SES-3), Desulfutomaculum auripigmentum, Bacillus arsenicoselenatis, Desulfomicrobium είδος Ben-rB και Crysiogenes arsenatis [5]. Έτσι, ένας άμεσος μηχανισμός απομάκρυνσης του αρσενικού από τα εδάφη, είναι η απευθείας αναγωγή του σε As(III) και απελευθέρωση στην υδατική φάση. Ένας δεύτερος μηχανισμός περιλαμβάνει την αποδέσμευση του αρσενικού από τα σιδηροξείδια του εδάφους με έμμεσο τρόπο που βασίζεται στην αναγωγή του σιδήρου από Fe(III) σε Fe(II). Μελέτες με ορισμένα είδη σιδηροαναγωγικών βακτηρίων έδειξαν ότι η ικανότητά τους να καταλύουν την αναγωγή του σιδήρου έχει ως αποτέλεσμα την αποδέσμευση του αρσενικού, κυρίως λόγω της διαλυτοποίησης των σιδηροξειδίων που συγκρατούν το As. Εντούτοις όταν ανάγεται μόνον ο Fe(III) και όχι το As(V), παρατηρείται επανακαταβύθιση του στοιχείου στη μορφή δυσδιάλυτων ενώσεων Fe(II)- As(V) όπως ο συμπλεσίτης (Fe3(AsO4)2.8H2O). Έτσι η κινητοποίηση του αρσενικού φαίνεται ότι είναι περισσότερο έντονη σε συνθήκες που ευνοούν την ταυτόχρονη σιδηροαναγωγική και αρσενοαναγωγική δράση των μικροοργανισμών. Σε πρόσφατη μελέτη, διαπιστώθηκε ότι μικροοργανισμοί που επηρεάζουν την οξειδωτική βαθμίδα του αρσενικού εντοπίζονται όχι μόνο σε δείγματα ρυπασμένων εδαφών αλλά και σε υγιή εδάφη. Μάλιστα η ικανότητα αυτή παρατηρήθηκε τόσο σε αερόβια όσο και σε αναερόβια στελέχη διαφορετικών ειδών μικροοργανισμών. Παρόλα αυτά οι μελέτες αυτές είναι περιορισμένες σε αριθμό και δεν υπάρχουν μέχρι στιγμής αναφορές για εδάφη που ανήκουν στον Ελληνικό χώρο. Στην παρούσα εργασία στόχος ήταν η διερεύνηση της ενδεχόμενης ύπαρξης και δράσης αρσενο-αναγωγικών μικροοργανισμών σε εδάφη από τον Ελλαδικό χώρο. Μελετήθηκαν πέντε διαφορετικά δείγματα υγιών και ρυπασμένων εδαφών από περιοχές του Υμηττού, της Κέας και του Λαυρίου, με αρχική συγκέντρωση As που κυμαίνονταν από 14 μέχρι 259 mg/kg εδάφους. Στα δείγματα έγινε τεχνητή ρύπανση με προσθήκη 750 mg As(V)/kg, το οποίο αρχικά προσροφήθηκε σε ποσοστά που κυμάνθηκαν από 70 μέχρι 85%. Στα τρία από τα πέντε δείγματα ανιχνεύτηκε δραστηριότητα αρσενικο-αναγωγικών μικροοργανισμών, χωρίς προφανή συσχέτιση με τα προϋπάρχοντα επίπεδα ρύπανσης. Η αναγωγή έφτασε σε υψηλά ποσοστά, μέχρι 99%, και συνοδεύονταν από την αντίστοιχη αποδέσμευση του αρσενικού στην υδατική φάση. Σημαντική σιδηροαναγωγική δράση παρατηρήθηκε επίσης σε τέσσερα από τα πέντε εδαφικά δείγματα.

Arsenic contamination in waters, groundwater and soils has been recognized as a major threat for human health and the environment. The increase of As concentrations in soils has posed a severe concern for the ecosystems due to the immigration of As to the underlying groundwater and different treatment options have been examined over the last decades. The toxicity of arsenic is a consequence of the similarity of As(V) to phosphorus and the ability of As(III) to form covalent bonds with sulphur, thereby uncoupling oxidative phosphorylation and interfering with protein synthesis. The presence of arsenic in natural waters is related to the process of leaching from arsenic containing source rocks and sediments. On the other hand, soil and sediment contamination with As is a result of anthropogenic activities such as mining and metallurgical activities, wood preservation and the use of As-containing pesticides. The mobility of As in soils is a function of various parameters such as pH, redox potential of soil solution, the presence of other elements, concentration of organic matter, the existence of indigenous microorganisms and the speciation of As in each soil sample. Thus, the variation of the above parameters results in alterations in the speciation and the mobility of arsenic with serious environmental consequences, such as the formation of gaseous arsines or the transportation of As in groundwater. In surface soils As mainly occurs in the form of As(V) compounds in coexistence with iron(III), aluminium and manganese oxides. The OH-OH distance in Fe, Mn and Al oxides matches well with the coordination polyhedra of many trace metals. Arsenate anions are strongly adsorbed on the surface of iron oxides such as goethite, limonite and ferrihydrite and in higher concentrations may form crystalline arsenate compounds such as scorodite (FeAsO4∙2H2O). Arsenites mainly exist in lower depths where anoxic conditions are evolved and are more mobile than arsenates, i.e. their solubility in water is orders of magnitude greater than that of As(V). The environmental fate, bioavailability and toxicity of arsenic vary with its chemicals forms. Several environmental studies have shown that certain biochemic processes control the oxidation state of As leading to its direct or indirect release from soil phase. To date several types of microorganisms have been isolated from As-rich waters, soils and sediments that are able to oxidize or reduce arsenic during their metabolism. Arsenic desorption appears to be enhanced most appreciably by a transition from aerobic to anaerobic conditions. Bacterial species that couple the anaerobic oxidation of organic substrates to the reduction of arsenates have been reported by various researches and are known as dissimilatory arsenate reducing bacteria (DAsRB’s). These are microorganisms that use As(V) as a terminal electron acceptor in their respiratory process, such as Geospirillum arsenophilus (species MIT-13), Geospirillum Barnesi (species SES-3), Desulfutomaculum auripigmentum, Bacillus arsenicoselenatis, Desulfomicrobium species Ben-rB και Crysiogenes arsenatis. Thus, a direct mechanism for the removal of arsenic from soils is the direct reduction of As(V) and the release of the mobile As(III) in the aqueous phase. A second mechanism suggests the indirect release of As in the solution via the reductive dissolution of soil Fe(III) oxides. There have been numerous studies using iron reducing bacteria concluded that the ability of certain microorganisms to catalyze the reduction of ferric oxides results in the displacement of As through the oxides dissolution. However, the sole reduction of Fe(III) to Fe(II) leads to the reprecipitation of arsenic in the form of insoluble ferrous arsenate 9 compounds such as symplesite [Fe3(AsO4)2∙8H2O]. Therefore the mobilization of As is more intensive under simultaneous iron and arsenic reducing conditions. In a recent study it was demonstrated that microorganisms that affect the arsenic oxidation state can be detected not only in contaminated but also in healthy soils. Moreover, this ability was observed in both aerobic and anaerobic species of different microorganisms. This study aims at the investigation of the biological arsenic reduction in representative samples of Greek areas. Five soil samples were examined, two of which contained low concentrations of As, i.e. 14 and 19 mgAs/Kg soil (healthy soils) and three samples from Lavrion area that were contaminated with As with 108, 154 and 259 mgAs/Kg soil. All samples were subjected to artificial contamination with an As(V) solution containing 10 mmol (750mg As) per Kg of soil and required nutrients were added to support the growth of indigenous microorganisms. The adsorption of As on the soil sample, the existence of As reducing species and the increase in the mobility of As during the growth of the microbial consortium were examined.