sofs.org.ua › Про журнал › Архів › 2023 › №1 (119) › 1.5

1.5

БІОТЕХНОЛОГІЯ ДЛЯ ОЧИЩЕННЯ ҐРУНТІВ ВІД ВИБУХОВИХ РЕЧОВИН

Г. КВЕСІТАДЗЕ
Г. ХАТІСАШВІЛІ
https://orcid.org/0000-0003-3062-9638

Nauka naukozn. 2023, 1(119): 47—56
https://doi.org/10.15407/sofs2023.01.047

Рубрика: Наука України в умовах сучасних викликів і загроз: проблеми і пріоритети розвитку (підсумки та наукові доповіді міжнародного симпозіуму)
Мова: Англійська
Анотація: У статті обговорюється проблема забруднення навколишнього середовища, спричиненого вибуховими речовинами. Неорганічні речовини (тротил, гексоген та інші), а також високотоксичні сполуки отруюють ґрунти, підземні води і водойми в місцях бойових дій. Завдяки своєму складу і стійкій структурі вибухові речовини, як правило, не розкладаються повністю в біотичних умовах навіть протягом десятиліть, часто потрапляючи в харчовий ланцюг і тим самим викликаючи серйозні патології. Представлене дослідження ґрунтується на використанні колекції мікроорганізмів, до складу якої входять до восьми тисяч штамів бактерій, нитчастих грибів, антиноміцетів, виділених із різних ґрунтових і кліматичних зон і місць дислокації підрозділів колишньої радянської армії, в тому числі полігонів. Модельні експерименти проведені в лабораторії та польових умовах (на невеликій ділянці розміром 100 м2 ). На першому етапі спеціально відібрані ризосферні мікроорганізми, відомі своєю переважно знезаражувальною дією, були поміщені в ґрунт, заражений вибуховими речовинами, щоб спричинити первинне перетворення останніх у більш гідрофільні та менш токсичні сполуки з метою їх подальшого розщеплення. На другому етапі в ґрунт, штучно заражений цими вибуховими речовинами, було висіяно рослини і потім піддано дії окремими мікроорганізмами. Рослини засвоїли і далі розщепили токсичні компоненти і продукти їх часткового розкладання, перетворивши частково розщеплені вибухові речовини в наземні елементи і мінералізувавши їх. На третьому етапі рослини, що містять токсичні речовини, було піддано дії мікроскопічних грибів, що мають потужні позаклітинні ферментні системи, які розщепили решту токсичних компонентів. У результаті встановлено, що протягом 30—45 днів, тобто за один літній сезон, можна очистити від токсичних сполук 70—80 % ґрунту. Ця біотехнологія є екологічно чистою і основана на використанні нетоксичних форм мікроорганізмів, виділених із ґрунту

Ключові слова: забруднюючі речовини, заражені ґрунти, вибухові речовини, фіторемедіація, 2,4,6-тринітротолуол (ТНТ), гексоген (гексагідро-1,3,5-тригітро-1,3,5-триазин – RDX).

Список літератури

  1. Johnston, E.J., Rylott, E.L., Beynon, E., Lorenz, A., Chechik, V.,& Bruce, N.C. (2015). Monodehydroascorbate reductase mediates TNT toxicity in plants. Science, 349, 1072— 1075. URL: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aab3472
  2. Talmage, S.S., Opresko, D.M., Maxwell,C.J., Welsh,C.J.E., Cretilla, F.M., Reno P.H. et al. (1999). Nitroaromatic munition compounds: Environmental effects and screening values. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, 161, 1—156. https://doi.org/10.1007/978-1-4757-6427-7_1
  3. Salt, D.E., Smith, R.D., & Raskin, I. (1998) Phytoremediation. Annual Reviews of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 49, 643—668. https://doi.org/10.1146/annurev. arplant.49.1.643
  4. Hannik, N.K., Rosser, S.J., & Bruce, N.C. (2002). Phytoremediation of explosives. Critical Reviews in Plant Sciences, 21, 511—538. https://doi.org/10.1080/0735-260291044340
  5. Kvesitadze, G., Khatisashvili, G., Sadunishvili, T., & Ramsden, J.J. (2006). Biochemical mechanisms of detoxification in higher plants. Basis of phytoremediation. Berlin Heidelberg New York: Springer.
  6. Panz, K., & Miksch, K. (2012). Phytoremediation of explosives (TNT, RDX, HMX) by wild-type and transgenic plants. Journal of Environmental Management, 113, 85—92. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.08.016
  7. Palazzo, A.J., & Leggett, D.C. (1986). Effect and disposition of TNT in a terrestrial plant. Journal of Environmental Quality, 15, 49—52. https://doi.org/10.2134/jeq1986.00472425001500010012x
  8. Best, E.P.H., Zappi, M.E., Fredrickson, H.L., Sprecher,S.L., Larson,S.L., & Ochman, M. (1997). Screening of aquatic and wetland plant species for the phytoremediation of explosives-contaminated groundwater from the Iowa Army Ammunition Plant. Annals of the New York Academy of Sciences, 829, 179—194. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1997.tb48574.x
  9. Peterson, M.M., Horst, G.L., Shea, P.J., & Comfort, S.D. (1998). Germination and seedling development of switchgrass and smooth bromegrass exposed to 2,4,6-trinitrotoluene. Environmental Pollution, 99, 53—59. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(97)00175-9
  10. Best, E.P., Kvesitadze, G.K., Khatisahvili, G., & Sadunishvili, T. (2005). Plant processes important for the transformation and degradation of explosives contaminants. Zeitschrift für Naturforschung C. A Journal of Biosciences, 60, 340—348. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15948604/
  11. Adamia, G., Ghoghoberidze, M., Graves, D., Khatisashvili, G., Kvesitadze, G., Lomidze, E. et al. (2006). Absorption, distribution and transformation of TNT in higher plants. Ecotoxicology and Environmental Safety, 64, 136—145. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2005.05.001.
  12. Khatisashvili, G., Gordeziani, M., Adamia, G., Kvesitadze,E., Sadunishvili T.,& Kvesitadze G. (2009). Higher plants ability to assimilate explosives. World Academy of Science, Engineering and Technology, 57, 265—270. URL: https://www.researchgate.net/publication/281398133_Higher_plants_ability_to_assimilate_explosives
  13. Kiiskila, J.D., Das, P., Sarkar, D., & Datta, R. (2015). Phytoremediation of explosive-contaminated soils. Current Pollution Reports, 1, 23—34. https://doi.org/10.1007/s40726-015-0003-3
  14. Via, S.M. (2020). Phytoremediation of Explosives. Phytoremediation. Concepts and Strategies in Plant Sciences. Shmaefsky, B. (Ed.), Springer Cham. https://doi.org/10.1007/978- 3-030-00099-8_8
  15. Esteve-Núňez, A., Caballero, A., & Ramos, J.L. (2001). Biological degradation of 2,4,6-trinitrotoluene. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 65, 335—352. https://doi.org/10.1128/MMBR.65.3.335-352.2001
  16. Khatisashvili, G., Kvesitadze, G., Adamia, G., Gagelidze, N., Sulamanidze, L., Ugrekhelidze, D. et al. (2004). Bioremediation of contaminated soil on the former military locations and proving grounds in Georgia. The Journal of Biological Physics and Chemistry, 4, 162—168. URL: http://www.amsi.ge/jbpc/30404/3040405.html
  17. Boopathy, R. (2009). Anaerobic metabolism and bioremediation of explosives-contaminated soil. Advanced in Applied Bioremediation. Soil Biology. Singh, A., Kuhad, E.C., & Ward, O.P. (Eds.), 17, 151—172. Berlin, Heidelberg: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-540-89621-0_8
  18. Gagelidze, N.A., Varsimashvili, Kh.J., Amiranashvili, L.L., & Kirtadze, E.G. (2009). Introduction of 2,4,6-trinitrotoluene-degrading bacteria for the intensification of contaminated soils bioremediation process. Annals of Agrarian Science, 7, 34—38.
  19. Anasonye, F., Winquist, E., Räsänen, M., Kontro, J., Björklöf, K., Vasilyeva, G. et al. (2015). Bioremediation of TNT contaminated soil with fungi under laboratory and pilot scale conditions. International Biodeterioration & Biodegradation, 105, 7—12. https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2015.08.003
  20. Aguero, S., & Terreux, R. (2019). Degradation of high energy materials using biological reduction: a rational way to reach bioremediation. International Journal of Molecular Sciences, 20, 5556. https://doi.org/10.3390/ijms20225556
  21. Siciliano, S.D., & Roy, R. (2000). Reduction in denitrification activity in field soils exposed to long term contamination by 2,4,6-trinitrotoluene (TNT). FEMS Microbiology and Ecology, 32, 61—68. https://doi.org/10.1111/j.1574-6941.2000.tb00699.x
  22. Hannink, N.K., Subramanian, M., Rosser, S.J., Basran, A., Murray, J.A., Shanks, J.V. et al. (2007). Enhanced transformation of TNT by tobacco plants expressing a bacterial nitroreductase. International Journal of Phytoremediation, 9, 385—401. https://doi.org/10.1080/15226510701603916
  23. Van Dillewijn, P., Couselo, J.L., Corredoira, E., Delgado, A., Wittich, R.M., Ballester, A. et al. (2008). Bioremediation of 2,4,6-trinitrotoluene by bacterial nitroreductase expressing transgenic aspen. Environmental Science & Technology, 42, 7405—7410. https://doi.org/10.1021/es801231w
  24. Zhang, L., Rylott, E.L., Bruce, N.C., & Strand, S.E. (2017). Phytodetoxification of TNT bytransplastomic tobacco (Nicotiana tabacum) expressing a bacterialnitroreductase. Plant Molecular Biology, 95, 99—109. https://doi.org/10.1007/s11103-017-0639-z
  25. Chandra, J., Xalxo, R., Pandey, N., & Keshavkant, S. (2021). Chapter 42 – Biodegradation of explosives by transgenic plants. Handbook of Bioremediation, Physiological, Molecular and Biotechnological Interventions. Hasanuzzaman, M., & Prasad, M.N.V. (Eds.). Academic Press, 657—675. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819382-2.00042-9
  26. Bhadra, R., Wayment, D.G., Hughes, J.B., & Shanks, J.V. (1999). Confirmation of conjugation processes during TNT metabolism by axenic plant roots. Environmental Science & Technology, 33, 446—452. https://doi.org/10.1021/es980635m
  27. Sens, C., Sheidemann, P., & Werner, D. (1999). The distribution of 14C-TNT in different biochemical compartments of the monocotyledoneous Triticum aestivum. Environmental pollution, 104, 113—119. https://doi.org/10.1016/S0269-7491(98)00142-0
  28. Schoenmuth, B.W., & Pestemer, W. (2004). Dendroremediation of trinitrotoluene (TNT) Part 2: Fate of radio-labelled TNT in trees. Environmental Science and Pollution Research, 11, 331—339. https://doi.org/10.1007/BF02979648
  29. Oh, B.T., Sarath, G., Shea P.J., Drijber, R.A., & Comfort, S.D. (2000). Rapid spectrophotometric determination of 2,4,6-trinitrotoluene in a Pseudomonas enzyme assay. Journal of Microbiological Methods, 42, 149—158. https://doi.org/10.1016/S0167-7012(00)00187-1

Повний текст (PDF)