CZ302508B6

CZ302508B6 - Zpusob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu pomocí biomarkerních indexu

Info

Publication number: CZ302508B6
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: 2011-06-22
Also published as: CZ2010160A3

Abstract

Zpusob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu pomocí biomarkerních indexu spocívá v tom, že se analýzou vzorku kontaminovaného systému na plynovém chromatografu s hmotnostním detektorem stanoví obsah vybraných složek kontaminantu, biomarkeru a n-alkanu, z pomeru jejich obsahu se vypocítají biomarkerní indexy, a na základe jejich hodnot se podle experimentálne vytvorených tabulek urcí stupen degradace kontaminantu v % a stanoví, o kolik % se prípadnou biodegradací sníží obsah kontaminantu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká biomarkemího indexu a způsobu jeho použití pri 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. Znečišťování přírody je spojeno předeni vším 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. Nej častěji 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 is 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 znační 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 způsob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantu, pomocí biomarkerních indexů podle tohoto vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že se analyso zou vzorku kontaminovaného systému na plynovém chromatografii s hmotnostním detektorem stanoví obsah vybraných složek kontaminantu, biomarkerů a n-alkanů. Z poměru jejich obsahů se vypočítají biomarkemí indexy. Z jejích hodnot se podle experimentálně vytvořených tabulek určení stupeň degradace kontaminantu v % a stanoví se, o kolik % se biodegradaci sníží obsah kontaminantu. Obsah vybraných složek kontaminantu, biomarkerů a n-alkanů, je určen plochou chromatografických píků. Tím se stanoví, zda je znečištění biologicky odbouratelné a jaká bude úspěšnost biodegradačního sanačního procesu z hlediska dosažitelného stupně degradace a časové náročnosti, čímž lze stanovit environmentální a ekonomickou úspěšnost procesu.

Způsob posuzování vychází z ČSN EN 14039 „Charakterizace odpadů - Stanovení uhlovodíků

Cio až C40 plynovou chromatografii“. Chemikálie, činidla, materiály, bezpečnostní opatření, přístroje, pomůcky, konzervace a úprava vzorků, extrakce a čištění extraktů je v souladu s touto normou. Chromatografické stanovení se liší použitím hmotnostního detektoru. Vyhodnocování vlastních chromatogramů spočívá v identifikaci a následné integraci píků biomarkerů, n-alkanů a integrací 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 μΐ; 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, tull-scan mod pri rozsahu hmotností m/z - 30 až 500 daltonů.

- 1 CZ 302508 B6

Identifikovány byly tyto biomarkery: Přistaň, Fytan, 18ct(H),21 β(11)-22,29.30-Trisnorliopan,

17a(H),21 p(H)-22,29,30-Trisnorhopan, 17α(Η),21 P(H) 30-Norhopan, 17α(Η),21 β(Η)-Ηοραη, 17β( I1),21 a(H)-Hopan, 22S-17α(Η),21 β(Η)-30-ΗοιηοΗοραη, 22R-17α(Η),21 β(Η)-30-Ηοηιο5 hopan, 22S-17α(Η),21β(Η)-30,31-Bishomohopan, 22R-17a(H),2ip(H>-30,3l-Bishomohopan, 22S-17ct(H),2I β(Η)-30,31,32-Trishomohopan, 22R-1 7α(Η),21 β(Η)-3Ο,3 1,32-Trishomohopan, 22-S-l7a(H),2ip(H)-30,31,32,33-Tetrakishomohopan, 22Κ-17α(Η),21β(Η)-30,31,32,33Tetrakishomohopan, 22S-17a(H),2^(H)-30,31,32,33,34-Pentakishornohopan, 22R-17a(H),21 β(Η)-3Ο,31,32,33,34-Pentakíshomohopan.

io

K nalezení vztahu mezi biomarkery a ostatními složkami kontaminantu byly vybrány a vyčísleny tyto biomarkerní indexy:

1. Index [Heptadekan / Přistaň]

2. Index [Oktadekan / Fytan]

3. Index [Priestan / Fytan]

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

5. Index [(C|5+C|4+C]s+C|6+C|7+Cir) / (i—C15+Í—Ciď+í—Cir+í—Ciq+í-Oo)]

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

7. index [17<χ(Η),21β(Η)-Ηοραη / 17ct(H),2^(H>30-Norhopan]

8. Index [poměr všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramů pro ion m/z ~ 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z — 191 v rozmezí nalkanů od Oktakosanu (C_2ít) do Oktatriakontanu (C₃₈), včetně hraničních]

9. Index [poměr všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramů pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí n25 alkanů od Pentakosanu (C₂$) do Tetrakontanu (C40), včetně hraničních]

10. Index [poměr všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramů pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z - 191 v rozmezí nalkanů od Triakontanu (C₃₀) do Tetrakontanu (C₄₀), včetně hraničních]

Výběr biomarkerních indexů se řídil porovnáním těsnosti korelace (R²) biomarkemích indexů s obsahem nepolárních extrahovatelných látek a obsahem uhlovodíků C10 až C₄₀ při laboratorních experimentech biodegradace ropných kontaminantu životního prostředí jako například surová ropa, nafta, olej, v uměle kontaminované pevné matrici pomocí aerobních heterotrofních bakterií.

Výsledkem prací je schopnost, na základě stanovených hodnot biomarkerních indexů, určit stupeň degradace kontaminantu v % a před i kovat úspěšnost případného biodegradačního procesu, tedy určit o kolik % se případnou biodegradací sníží obsah kontaminantu vyjádřený jako obsah nepolárních extrahovatelných látek nebo jako obsah uhlovodíků C_i0 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 jako například surová ropa, nafta, olej.

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 -2CZ 302508 B6 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 5 vyhodnocení získaných chromatogramů ukázaly, že kontaminantem byla skutečně ropa.

V kontaminantů byly identifikovány biomarkery: přistaň, fytan a ostatní isoprenoidnt a lkaný, hopany. Vyčísleny byly biomarkemí indexy; pristan/fytan a index definovaný jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramů pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí uhlovodíků od Oktakosanu do io Oktatriakontanu, včetně hraničních.

Na základě vyhodnocení chromatogramů a dle hodnot biomarkemích indexů u vstupních vzorků lze konstatovat, že stupeň degradace kontaminantů je 30 % a účinnost biodegradačního procesu, vyjádřenou poklesem obsahu nepolárních extrahovatelných látek, lze před i kovat na 47 %.

Výsledky biodegradačního experimentu, tabulky 1 až 3, tuto předpověď potvrdily. Pokles kontaminace u vzorků biodegradovatelných standardně používanou bakteriální směsí je 40 %, u vzorků degradovaných za pomocí autochtonní mikroflóry 43 %, u slepého vzorkuje pokles kontaminace 33 %. Z chromatogramů je patrné, že nejméně odolné k degradaci byly nižší isopre20 noidní alkany.

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

NEL [mg/kg ss]
Týden	Al	A2	Bl	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, s poměrem všech detekovatelných uhlovodíků na 30 selected ion monitoring 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	A)	f A2	Bl	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

- j CZ 302508 B6

Tabulka 3 - Hodnoty biomarkerního indexu, přistaň k fytanu, ve všech vzorcích v průběhu biodegradačního experimentu

Biomar	šemí index
Týden	Al	A2	Bl	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 kontaminantů 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, tj. přistaň, fytan. Biomarkerní indexy [Heptadekan/Pristan] a [Oktadekan/Fytan] byly vyčísleny na hodnoty menší než 0.15, stupeň degradace je tedy větší než 95 %. Za významnou složku kontaminantů podzemní vody tedy bylo navíc možné označit motorovou naftu ve výrazně degradovaném stavu.

Příklad 3: Identifikace a posouzení stavu kontaminantů reálné zeminy

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

Na základě výsledků provedených analýz bylo možno konstatovat, že podstatu kontaminantů obou vzorků tvoří ropa, stav kontaminantů byl v uvedených vzorcích prakticky shodný. V ropném kontaminantů vzorků zemin byly identifikovány biomarkery, a to nejvíce perzistentní sloučeniny: přistaň, fytan a hopany. Dále byly identifikovány n-alkany, jako sloučeniny nejsnáze degradovatelné. V oblastí uhlovodíků do pentadekanu bylo u kontaminantů patrné lehké odvětrání nejvíce těkavých složek. Vyčísleny byly biomarkerní indexy [Heptadekan/Pristan], [Oktadekan/Fytan] a index definovaný jako [poměr všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring 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.

-4CZ 302508 B6

Tabulka 4 - Hodnoty biomarkemích indexů (Bl)

	Bl [ Heptadekan/Pristan]	Bl [Oktadekan/Fytan]	Bl [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 stup5 něm 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 extrahovatělných látek -NEL.

io

Příklad 4: Identifikace a posouzení stavu ropného kontaminantu pří modelovém testu biodegradace fenol ických látek.

V rámci testu posouzení biodegradovatelnosti zeminy kontaminované fenoiickými 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 identifikaci biomarkerů v oblasti uhlovodíků C_?o až Go tj. hopanů. Podle biomarkemího indexu definovaného jako poměr všech detekovatelných uhlovodíků 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 tj. 63 % a účinnost další biodegradace bude s největší pravděpodobností malá, přibližně jen 22 %.

Jak ukazují hodnoty biomarkemího indexu kontaminantu pro 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 (Bl)

	Vstupní vzorek	Výstup A	Výstup B
Bl [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 ve vstupním vzorku a ve vzorcích po biodegradaci vyplývá, že k degradaci kontaminantu prakticky nedošlo.

Účinnost degradace nepolárních extrahovatelných látek byla pouze 19 %.

- 5 CZ 302508 B6

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

Průmyslová využitelnost

Po analýze ropného kontaminantů na plynovém chromatografu s hmotnostním detektorem, identifikaci přítomných biomarkerů a n-alkanů, stanovení příslušných biomarkerních indexů lze popsat aktuální stav kontaminantů 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 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. Způsob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantů pomocí biomarkerních indexů, vyznačující se tím, že se analýzou vzorku kontaminovaného systému stanoví obsah vybraných složek kontaminantů, biomarkerů a n-alkanů, z poměru jejich obsahů se vypočítají biomarkerní indexy, a na základě jejich hodnot se podle experimentálně vytvořených tabulek určí stupeň degradace kontaminantů v % a stanoví, o kolík % se biodegradací sníží obsah kontaminantu.
2. Způsob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantů pomocí biomarkerních indexů podle nároku 1, vyznačující se tím, že analýza vzorku kontaminovaného systému se provádí na plynovém chromatografu s hmotnostním detektorem a obsah vybraných složek kontaminantu, biomarkerů a n-alkanů, je určen plochou chromatografických píku.
3. Biomarkerní index pro způsob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantů, vyznačující se tím, že je dán poměrem všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí n-alkanů C₂₈ až C₃₈, včetně hraničních, bez nutnosti jejich identifikace.
4. Biomarkerní index pro způsob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantů, vyznačující se tím, že je dán poměrem všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí n-alkanů C₂₅ až C₄₀, včetně hraničních, bez nutnosti jejich identifikace.
5. Biomarkerní index pro způsob posuzování aktuálního stavu ropného kontaminantů, vyznačující se tím, že je dán poměrem všech detekovatelných uhlovodíků na selected ion monitoring chromatogramu pro ion m/z = 57 ke všem detekovatelným uhlovodíkům pro ion m/z = 191 v rozmezí n-alkanů C₃₀ ažC₄«, včetně hraničních, bez nutnosti jejich identifikace.