CZ2010160A3

CZ2010160A3 - Biomarkerní index a zpusob použití biomarkeru a jejich indexu pri posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu

Info

Publication number: CZ2010160A3
Application number: CZ20100160A
Authority: CZ
Inventors: Najmanová@Petra; Legner@Martin; Cepeláková@Iveta
Original assignee: DEKONTA, a.s.; Analytické laboratore Plzen, a.s.
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2010-09-01
Also published as: CZ302508B6

Abstract

Zpusob použití biomarkeru a jejich indexu pri posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu spocívá v tom, že na základe hodnot biomarkerních indexu se stanoví stupen degradace kontaminantu v procentech a urcí se o kolik procent se prípadnou biodegradací sníží obsah kontaminantu. Zpusob použití biomarkeru a biomarkerních indexu používá k vycíslení biomarkerních indexu plochy chromatografických píku jednotlivých složek kontaminantu. Biomarkerní index je definován jako pomer všech detekovatelných uhlovodíku SIM chromatogramu pro ion m/z=57 ke všem detekovatelným uhlovodíkum pro ion m/z=191 v rozmezí uhlovodíku od oktakosanu do oktatriakontanu, vcetne hranicních. Biomarkerní index je rovnež definován jako pomer všech detekovatelných uhlovodíku SIM chromatogramu pro ion m/z=57 ke všem detekovatelným uhlovodíkum pro ion m/z=191 v rozmezí uhlovodíku od pentakosanu do tetrakontanu, vcetne hranicních. Biomarkerní index je rovnež definován jako pomer všech detekovatelných uhlovodíku SIM chromatogramu pro ion m/z=57 ke všem detekovatelným uhlovodíkum pro ion m/z=191 v rozmezí uhlovodíku od triakontanu do tetrakontanu, vcetne hranicních.

Description

Biomarkerní index a způsob použití bíomarkerů a jejich indexů při posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu

Oblast techniky

Vynález se týká biomarkemího indexu a způsobu použití bíomarkerů a jejich indexů při posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu.

Dosavadní stav techniky

Problémy spojené s kontaminací všech složek životního prostředí jsou stále častěji diskutovány a dostávají se do popředí jako otázka, kterou je nutno řešit. Znečisťování přírody je spojeno především s činností člověka, s většími životními nároky a vývojem lidské civilizace. Nedílnou součástí procesu ochrany životního prostředí je odstraňování ohnisek antropogenní kontaminace horninového prostředí, sedimentů, podzemních a průmyslových vod. Nejčastěji jsou aplikovány sanační postupy založené na fyzikálně-chemických a biologických principech. Právě biologické metody přinášejí řadu výhod, např. velkou flexibilitu a diverzitu biologických systémů, možnost provádění sanace tzv. „in-situ“ (tj. v místě aktuálního výskytu znečištění bez odtěžby a přepravy kontaminovaných zemin na jiné místo) a v neposlední řadě také nižší cenu. Na druhou stranu je celkem problematické odhadnout, zda kontaminovanou matrici lze biologicky sanovat, tzn. jestli bude znečištění biologicky odbouratelné. V praxi se odhad biodegradovatelnosti provádí pomocí testů, kdy daná matrice je za laboratorních podmínek podrobována biodegradaci a zjišťuje se rychlost a stupeň odbourávání kontaminujících složek. Tyto testy jsou však často časově náročné a finančně nákladné. Někdy je třeba určit biodegradovatelnost materiálu obratem, a tak se často provádí odhadem na základě praktických zkušeností a různých literárních údajů, s čímž jsou samozřejmě spojená značná rizika, neboť každý materiál je mikrobiálním osídlením jedinečný, sorpce znečišťujících látek na danou matrici je rozdílná a chování biologického činitele je často nepředvídatelné.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje biomarkemí index a způsob použití biomarkerů a jejich indexů při posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že na základě hodnot biomarkemích indexů se stanoví stupeň degradace kontaminantu v procentech a určí se o kolik procent se případnou biodegradací sníží obsah kontaminantu. K. vyčíslení biomarkemích indexů jsou použity plochy chromatografických píku jednotlivých složek kontaminantu.

Biomarkemí index je definován jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních.

Biomarkemí index je také definován jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z =191 v rozmezí uhlovodíků od Pentakosanu do Tetrakontanu, včetně hraničních.

Biomarkemí index je také definován jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z =191 v rozmezí uhlovodíků od Triakontanu do Tetrakontanu, včetně hraničních.

Podstatou vynálezu je nalezení postupu vedoucího ke zjištění aktuálního stavu ropného kontaminantu (nafta, surová ropa, olej) z hlediska jeho degradace tzn. určení stupně jeho degradace. Následně lze určit zda lze kontaminovanou matrici biologicky sanovat, tzn. jestli bude znečištění biologicky odbouratelné a jaká bude úspěšnost případného biodegradačního (sanačního) procesu z hlediska dosažitelného stupně degradace, časové náročnosti a tím predikovat environmentální a ekonomickou úspěšnost procesu.

Způsob vychází z ČSN EN 14039 „Charakterizace odpadů - Stanovení uhlovodíků C i o až C40 plynovou chromatografií“. Chemikálie, činidla, materiály, bezpečnostní opatření, přístroje, pomůcky, konzervace a úprava vzorků, extrakce a čištění extraktů je v souladu s touto normou. Chromatografícké stanovení se liší použitím hmotnostního detektoru. Vyhodnocování vlastních chromatogramů spočívá v identifikaci a následné integraci píků biomarkerů, n-alkanů a integrací SIM chromatogramů pro ion m/z = 57 a pro ion m/z =191. Biomarkemí indexy se počítají z ploch chromatografických píků jednotlivých složek kontaminantu a byly stanoveny z chromatogramů, které byly zaznamenány za těchto podmínek: GC 6890 - MSD 5975: technika nástřiku splitless; objem nástřiku 1 pl; teplota nástřiku 300 °C; kolona HP-5MS o délce 30 m, průměru 0,25 mm, film 0,25 pm; nosný plyn hélium; průtok kolonou konstantní 1 ml za min.; teplotní program: počáteční teplota 65 °C po dobu 2 min., poté nárůst na 250 °C rychlostí 8 °C za min., bez časové prodlevy nárůst na

325 °C rychlostí 3 °C za min,, při 325 °C výdrž po dobu 9,87 min.; detektor: hmotnostní detektor, full-scan mod při rozsahu hmotností m/z - 30 až 500 daltonů.

Identifikovány byly tyto biomarkery: Přistaň, Fytan, 18a(H),21 β(Η)-22,29,30Trisnorhopan, 17α(Η),21 p(H)-22,29,30-Trisnorhopan, 17α(Η),21 p(H)-30-Norhopan,

17a(H),21p(H)-Hopan , 17β(Η),21α(Η)-Ηορηη, 22S-17a(H),21p(H)-30-Homohopan, 22R17α(Η),21 β(Η)-30-Ηοιηο]ιορ3η, 22S-17a(H),210(H)-30.31-Bishomohopan, 22R17α(Η),21 β(Η)-30,31 -Bishomohopan, 22S-17α(Η),21 β(Η)-3Ο,31,32-Trishomohopan, 22R17α(Η),21 β(Η)-3Ο,31,32-Trishomohopan, 22S-17α(Η),21 β(Η)-30,31,32,3 3Tetrakishomohopan, 22R-17a(H),21 β(Η)-30,31,32,33-Tetrakishomohopan, 22S17a(H),2^(H)-30,31,32,33,34-Pentakishomohopan, 22R-17α(Η),21β(Η)-30,31,32,33,34Pentakishomohopan.

K nalezení vztahů mezi biomarkery a ostatními složkami kontaminantu byly vybrány a vyčísleny tyto biomarkemí indexy:

1. Index [ Heptadekan / Přistaň ]

2. Index [ Oktadekan / Fytan ]

3. Index [ Přistaň / Fytan ]

4. Index [ (Hexadekan+Heptadekan+Oktadekan) / (Pristan+Fytan) ]

5. Index [ (Cjj+Ch+Cis+C^+Cp+Cig) / (1-C15+ i-Ci&+i-Cig+ 1-C19+ 1-C2Q) ]

6. Index [17β(Η),21α(Η)-Ηορ3π / (17β(Η),21α(Η)-Ηορ3η + 17a(H),21p(H)-Hopan)]

7. Index [17α(Η),21β(Η)-Ηοραη / 17a(H),2ip(H)-30-Norhopan ]

8. Index [ poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních ]

9. Index [ poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Pentakosanu do Tetrakontanu, včetně hraničních ]

10. Index [ poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Triakontanu do Tetrakontanu, včetně hraničních ]

Výběr biomarkemích indexů se řídil porovnáním těsnosti korelace (R²) biomarkemích indexů s obsahem nepolárních extrahovatelných látek (NEL) a obsahem uhlovodíků

Cio až C40 při laboratorních experimentech biodegradace ropných kontaminantů životního prostředí (surová ropa, nafta, olej) v uměle kontaminované pevné matrici pomocí aerobních heterotrofních bakterií.

Výsledkem prací je schopnost, na základě stanovených hodnot biomarkemích indexů, určit stupeň degradace kontaminantů v procentech a predikovat úspěšnost případného biodegradačního (sanačního) procesu, tedy určit o kolik procent se případnou biodegradací sníží obsah kontaminantů vyjádřený jako obsah nepolárních extrahovatelných látek (NEL) nebo jako obsah uhlovodíků C1 o až C40.

Výhodou tohoto způsobu oproti v současné době používaným, je jeho vyšší rychlost, menší finanční nákladnost a blíží se více skutečnosti, čímž se značně snižují rizika spojená obecně s biodegradacemi. Tento postup je vhodný pro celou řadu ropných kontaminantů (surová ropa, nafta, olej).

Vyvinutý způsob, který za pomoci biomarkerů a biomarkemích indexů posoudí aktuální stav kontaminace a predikuje úspěšnost biodegradace rychleji, finančně méně nákladně a blíží se více skutečnosti, čímž se značně snižují rizika spojená obecně s biodegradacemi.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1: Laboratorní biodegradační experiment, při kterém byla degradaci podrobena reálná zemina kontaminovaná před přibližně dvaceti lety surovou ropou v důsledku havárie ropovodu.

Sledována byla biodegradace pomocí standardně používané bakteriální směsi pro biodegradací ropného znečištění (var. A) a schopnost autochtonní mikroflóry degradovat přítomné znečištění (var. B). Za účelem sledování příspěvku abiotických procesů byl rovněž založen slepý pokus (var. C; bez aplikace bakteriálního preparátu a dotace minerálních látek).

Analýzy vstupních vzorků na plynovém chromatografu s hmotnostním detektorem a následné vyhodnocení získaných chromatogramů ukázaly, že kontaminantem byla skutečně ropa. V kontaminantů byly identifikovány biomarkery; přistaň, fytan a ostatní ísoprenoidní alkany, hopany. Vyčísleny byly biomarkemí indexy: pristan/fytan a index definovaný jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramů pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních.

Na základě vyhodnocení chromatogramů a dle hodnot biomarkemích indexů u vstupních vzorků lze konstatovat, že stupeň degradace kontaminantu je 30% a účinnost biodegradačního procesu, vyjádřený poklesem obsahu nepolárních extrahovatelných látek (NEL), lze predikovat na 47%.

Výsledky biodegradačního experimentu, tabulky 1-3, tuto předpověď potvrdily. Pokles kontaminace u vzorků biodegradováných standardně používanou bakteriální směsí je 40%, u vzorků degradovaných za pomocí autochtonní mikroflóry 43%, u slepého vzorku je pokles kontaminace 33%. Z chromatogramů je patrné, že nejméně odolné k degradaci byly nižší isoprenoidní alkany.

Tabulka 1 - Výsledky stanovení nepolárních extrahovatelných látek (NEL) ve všech vzorcích v průběhu biodegradačního experimentu

NEL [mg/kg ss]
Týden	AI	A2	B1	B2	C
0	2760	2780	3210	2960	2870
4	2260	2240	2340	1990	2690
13	2090	1880	1880	1790	2270
21	1550	1640	1550	1560	1850
25	1850	1940	1730	1900	2000
33	1600	1810	1820	1760	1870
37	1830	1800	1970	1740	2000

Tabulka 2 - Hodnoty biomarkemího indexu (poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramů pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních) ve všech vzorcích v průběhu biodegradačního experimentu

		Biomarkemi index
Týden	AI	A2	B1	B2	C
0	3,17	3,39	3,49	3,78	3,33
4	3,00	2,96	3,30	3,33	2,93
13	1,50	1,63	1,03	1,25	1,85
21	1,40	1,22	1,22	1,31	1,19
25	1,42	1,33	1,29	1,31	1,38
33	2,04	1,64	1,76	1,79	2,34
37	1,44	1,60	1,98	1,83	1,42

Tabulka 3 Hodnoty biomarkemího indexu (přistaň k fytanu) ve všech vzorcích v průběhu biodegradačníhoex£erimen^

Biomar	íerní index
Týden	Al	A2	B1	B2	C
0	0,72	0,73	0,72	0,72	0,73
4	0,54	0,55	0,50	0,48	0,61
13	0,57	0,57	0,55	0,54	0,63
21	0,52	0,53	0,53	0,54	0,59
25	0,42	0,53	0,45	0,57	0,61
33	0,48	0,46	0,47	0,47	0,50
37	0,48	0,46	0,46	0,48	0,53

Příklad 2: Identifikace a posouzení stavu kontaminantu podzemní vody s volnou organickou fází na hladině.

Cílem provedených analýz bylo pokusit se identifikovat podstatu a původ organické fáze ve vzorcích podzemní vody (zda se jedná o letecký benzin nebo letecký petrolej).

Na základě výsledků provedených analýz bylo možno konstatovat, že podstatu aktuální organické fáze na hladině podzemní vody tvoří letecký petrolej, přítomnost významnějšího podílu leteckého benzinu bylo možno prakticky vyloučit. Navíc ale byla identifikována přítomnost biomarkerů typických pro motorovou naftu (přistaň, fytan). Biomarkemí indexy [Heptadekan/Pristan] a [Oktadekan/Fytan] byly vyčísleny na hodnoty menší než 0,15, stupeň degradace je tedy větší než 95%. Za významnou složku kontaminantu podzemní vody tedy bylo navíc možné označit motorovou naftu ve výrazně degradovaném stavu.

Příklad 3: Identifikace a posouzení stavu kontaminantu reálné zeminy

Cílem provedených analýz bylo identifikovat podstatu a popsat aktuální stav kontaminantu dvou zemin z téže lokality.

Na základě výsledků provedených analýz bylo možno konstatovat, že podstatu kontaminantu obou vzorků tvoří ropa, stav kontaminantu byl v uvedených vzorcích prakticky shodný. V ropném kontaminantu vzorků zemin byly identifikovány biomarkery (nejvíce perzistentní sloučeniny): přistaň, fytan a hopany . Dále byly identifikovány n-alkany (sloučeniny nejsnáze degradovatelné). V oblasti uhlovodíků do pentadekanu bylo u kontaminantu patrné lehké odvětrání nejvíce těkavých složek. Vyčísleny byly biomarkemí indexy [Heptadekan/Pristan], [Oktadekan/Fytan] a index definovaný jako [poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z =191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních], hodnoty jsou uvedeny v tabulce 4.

Tabulka 4 - Hodnoty biomarkemích in<	exů (BI)
	BI [Heptadekan/Pristan]	BI [Oktadekan/Fytan]	BI [poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z — 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních]
Kontaminant vz.č.4	0,70	0,83	5,42
Kontaminant vz.č.5	0,80	0,92	5,00

Závěrem bylo tedy možno konstatovat, že podstatu kontaminantu obou vzorků tvoří ropa se stupněm degradace do patnácti procent s částečně odvětranými uhlovodíky do pentadekanu. S ohledem na významné zastoupení n-alkanů se dá předpokládat účinnost biodegradačního procesu tohoto kontaminantu 60%, vyjádřená jako pokles obsahu nepolárních extrahovatelných látek (NEL).

Příklad 4: Identifikace a posouzení stavu ropného kontaminantu při modelovém testu biodegradace fenolických látek

V rámci testu posouzení biodegradovatelnosti zeminy kontaminované fenolickými látkami, jejichž minoritním kontaminantem byly i ropné látky, proběhlo posouzení i jejich biodegradace. Biodegradační test probíhal ve dvou totožných variantách. Přítomnost ropného kontaminantu (surová ropa) potvrdila identifikace biomarkerů v oblasti uhlovodíků C20 až C40 (hopanů). Podle biomarkemího indexu definovaného jako [poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních], vyčísleného na 2,00 vyplývá, že ve vstupním vzorku zeminy je surová ropa již v poměrně vysokém stupni degradace (63%) a účinnost další biodegradace bude s největší pravděpodobností malá, přibližně jen 22%.

Jak ukazují hodnoty biomarkemího indexu kontaminantu po biodegradaci u obou paralelních vzorků - tabulka 5, k jisté biodegradaci ropné části kontaminantu skutečně došlo, ale další biodegradace by měla být již prakticky neúčinná.

Tabulka 5 - Hodnoty biomarkemího indexu (BI)

	Vstupní vzorek	Výstup A	Výstup B
BI [poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z - 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních]	2,00	1,45	1,51

Z výsledků analytických stanovení obsahu nepolárních extrahovatelných látek (NEL) ve vstupním vzorku a ve vzorcích po biodegradaci vyplývá, že k degradaci kontaminantu prakticky nedošlo. Účinnost degradace nepolárních extrahovatelných látek byla pouze 19%.

Závěrem bylo možno konstatovat, že výsledná účinnost biodegradace ropného kontaminantu, vyjádřená úbytkem nepolárních extrahovatelných látek, je zcela ve shodě s předpokládanou účinností.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Po analýze ropného kontaminantu na plynovém chromatografií s hmotnostním detektorem, identifikaci přítomných biomarkerů a n-alkanů, stanovení příslušných biomarkemích indexů lze popsat aktuální stav kontaminantu z hlediska jeho degradace tzn. určit stupeň jeho degradace. Následně lze predikovat zda kontaminovanou matrici lze biologicky sanovat, tzn. jestli bude znečištění biologicky odbouratelné a jaká bude úspěšnost případného biodegradačního (sanačního) procesu z hlediska dosažitelného stupně degradace, časové náročnosti, a tím predikovat environmentální a ekonomickou úspěšnost procesu. Ve srovnání s jinými technikami je vyvinutý způsob rychlejší, finančně méně nákladný a blíží se více skutečnosti, čímž se značně snižují rizika spojená obecně s biodegradacemi.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Biomarkemí index a způsob použití biomarkerů a jejich indexů při posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu ,vyznačující se t í m, že na základě hodnot biomarkemích indexů se stanoví stupeň degradace kontaminantu v procentech a určí se o kolik procent se případnou biodegradací sníží obsah kontaminantu.
2. Biomarkemí index a způsob použití biomarkerů a jejich indexů podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se t í m, že k vyčíslení biomarkemích indexů jsou použity plochy chromatografických píků jednotlivých složek kontaminantu.
3. Biomarkemí index, vyznačující se tím, že je definován jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do Oktatriakontanu, včetně hraničních.
4. Biomarkemí index, vyznačující se t í m, že je definován jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z =191 v rozmezí uhlovodíků od Pentakosanu do Tetrakontanu, včetně hraničních.
5. Biomarkemí index, vyznačující se tím, že je definován jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků SIM chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Triakontanu do Tetrakontanu, včetně hraničních.