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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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/
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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