Oxidative and reductive transformations of polychlorinated biphenyls by freshwater sediment micro-organisms

Abstract

The potential of indigenous boreal lake sediment microorganisms to transform polychlorinated biphenyls (PCBs) was studied under both aerobic and anaerobic conditions. Sediments used in the laboratory experiments were collected from a Finnish Lake Kernaalanjärvi that has a history of low-level PCB contamination. The composition of pre-existing PCBs in sediment samples was determined to evaluate possible alterations in the PCB profiles during the environmental deposition. As compared to the original PCB mixture, the relative proportion of higher chlorinated congeners had increased. -Aerobic biphenyl oxidizing microorganisms were enriched from the surface sediment samples and tested for their PCB degradation ability. Aroclor 1242, a PCB mixture consisting mainly of trichlorobiphenyls, could not serve as a growth substrate for the Lake Kernaalanjärvi microorganisms, but was intensively cometabolized in the presence of biphenyl. Specific PCB congeners with one, two, or three chlorine substituents were degraded resulting in the total degradation of approximately 20% over a period of one week. The recalcitrant lower chlorinated congeners had a substitution pattern of either 2,2'-, 2,6-, or 4,4'-. Degradation typically ceased after a few days incubation although nonresistant congeners were still present. -A limited PCB dechlorination potential was observed in the anaerobic subsurface sediments. Reductive meta and para dechlorination of several penta- to heptachlorinated congeners present in Aroclor 1254 resulted in an increase in the molar proportions of corresponding PCB homologs with three to five chlorine substituents. The overall chlorine removal after eight months incubation was 3.6% for 100 mg/l of Aroclor 1254. Higher PCB content inhibited dechlorination. In the case of Aroclor 1242, the extent of dechlorination was difficult to evaluate since two peaks consisting of dichlorinated congeners decreased intensively, and the total molar PCB concentration changed. /Kir10

AB3:Polyklooratut bifenyylit (PCB :t) ovat synteettisiä organoklooriyhdisteitä, joista pysyvyytensä takia on tullut merkittäviä sedimenttien saastuttajia. Tässä työssä tutkittiin PCB:iden biologisia hajoamisprosesseja sekä hapellisissa että hapettomissa olosuhteissa. Tavoitteena oli selvittää, pystyvätkö alhaiseen PCB-pitoisuuteen sopeutuneet pohjoisen järvisedimentin mikrobistot muuntamaan PCB-yhdisteitä vaarattomampaan muotoon. Lisäksi tutkittiin biohajoamisprosesseihin vaikuttavia tekijöitä sekä mahdollisuuksia soveltaa näitä prosesseja PCB:illä saastuneiden sedimenttien kunnostuksessa.- Kaupalliset PCB-tuotteet, kuten Aroclor 1242 ja Aroclor 1254, ovat useiden kymmenien PCB-homologien seoksia, joiden analysointi edellyttää kromatografista menetelmää. Tässä työssä PCB-näytteet analysoitiin kaasukromatografilla (GC), joka oli varustettu elektronisieppausdetektorilla (ECD). Käytetty GGECD-menetelmä kehitettiin vastaamaan ympäristönäytteiden asettamia vaatimuksia. Biohajoamiskokeissa seurattiin Aroclor-seosten kaasukromatogrammien muuttumista kokeiden edetessä. Laboratoriokokeiden sedimenttinäytteet olivat peräisin Aroclor 1242:lla ja Aroclor 1254:llä saastuneesta Kernaalanjärvestä, joka sijaitsee eteläsuomalaisessa Janakkalan kunnassa. Järveen on joutunut jätevesien mukana vuosina 1956-1984 noin 1200 kg PCB-yhdisteitä. Pahiten saastuneelta alueelta Tervajoen suistosta otettu sedimenttinäyte sisälsi kokonaisPCB:tä 12,7 mg/kg kuiva-ainetta. Vastaava PCB-pitoisuus järven keskiosan syvännesedimentissä oli 4,1 mg/kg. Näytteiden perusteella alkuperäinen PCB-seos, joka sisälsi pääosin Aroclor 1242 :ta, oli muuttunut koostumukseltaan siten, että korkeammin kloorattujen PCB-homologien (mm. 2,2',3,4,4',5'-CB ja 2,3,3',4,4',6-CB) suhteellinen osuus oli kasvanut.-- Kuuden kuukauden inkuboinnin jälkeen muutamien diklooribifenyylien pitoisuus oli laskenut merkittävästi rikastusviljelmissä, joihin oli lisätty Aroclor 1242:ta. PCB-molekyylien kokonaismäärä oli vähentynyt, eikä deklorinaatioastetta voitu määrittää. Aroclor 1254 -pulloissa kyseisten PCB-yhdisteiden pitoisuudet olivat jo alunperin hyvin alhaiset, joten vastaavaa virhettä ei ilmennyt. Aroclor 1254:n (100 mg/1) deklorinaatio oli kahdeksan kuukauden aikana 3,6%. Korkeampi Aroclor 1254 -pitoisuus inhiboi reduktiivista deklorinaatiota. Pääasiallinen deklorinaatioreitti oli penta-, heksa- ja heptakloorattujen bifenyylien reduktiivinen deklorinaatio meta- ja para-asemista, mikä aiheutti vastaavien, kolmesta viiteen kloorisubstituenttia sisältävien PCB-homologien pitoisuuden kasvun.-- Pohjoisesta järvisedimentistä rikastetut aerobiset mikrobiviljelmät hajottivat tiettyjä mono-, di- ja trikloorattuja bifenyylejä. Lisäksi anaerobisissa rikastusviljelmissä havaittiin PCB:iden reduktiivista deklorinaatiota, jonka merkitys oli kuitenkin vähäinen. PCB:illä saastuneiden sedimenttien kunnostus biologisin menetelmin edellyttää näiden biohajoamisprosessien perusteellista tuntemista sekä pidempiä rikastusjaksoja tai eristettyjen, PCB:itä tehokkaasti hajottavien mikrobiviljelmien käyttöä. /Kir10