Bildung, Stabilität und Struktur gebundener Rückstände aus dem mikrobiellen Abbau von TNT im Boden

Abstract

Die biologische Behandlung von 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT) im Boden führt in nur sehr geringem Umfang zur Mineralisierung dieser Verbindung. Vielmehr wird der größte Anteil von TNT-Kohlenstoff in die organische Bodenmatrix eingebaut. Also überprüften wir die Stabilität nicht-extrahierbarer Rückstände unterschiedlicher biologischer Sanierungsverfahren für 14C-TNT im Boden. Die extrahierbare Menge der rückstandshaltigen Radioaktivität lag zwischen 7 und 33% , folglich der Anteil nicht-extrahierbarer Radioaktivität zwischen 93 und 67% (3-15% in der Fraktion der Fulvosäuren, 26-46% in der Fraktion der Huminsäuren und zwischen 27-44% in der Huminfraktion). Die rückstandshaltigen Böden wurden auf Freisetzung der Radioaktivität durch physikalische (Frieren/Auftauen , Mahlen , Wasserdampfextraktion) , chemische (Saurer Regen , Komplexbildner) und biologische Methoden (Zugabe von Kompost , Weißfäulepilze , radikal-bildende Enzyme , Keimung von Pflanzen) untersucht. Frieren/Auftauen und Mahlen des Bodens verschob die Verteilung der Isotopenmarkierung nicht signifikant. Dampfextraktion und Saurer Regen erhöhte die Extrahierbarkeit der wasserlöslichen Fraktion von 11 auf 29% und im unbehandelten TNT-kontaminierten Kontrollboden auf 51,6%. Die Zugabe von EDTA erhöhte den Anteil der wasserlöslichen Fraktion von 7 auf 12%. Nach biologischer Behandlung wurde nur eine geringe Steigerung der Radioaktivität hinein in die wasserlösliche Fraktion nachgewiesen (<< 10%). Bei keiner Behandlung wurde ein Anstieg von extrahierbarem TNT oder Metaboliten beobachtet. Folglich weisen die Rückstände unter Versuchsbedingungen nach biologischer Umwandlung nur geringes Widerfreisetzungspotenzial auf. Zudem wurde das unterschiedliche Schicksal der Markierungen 14C und 15N an TNT im Boden untersucht. Dabei kam ein Bioreaktor zum Einsatz, in dem unter aeroben Bedingungen Stropharia rugosoannulata inkubiert wurde. Bis zu 17,5% der 15N-Markierung verhielt sich anders als die entsprechende 14C-Markierung. Es wurden drei N-Mineralisierungsprozesse identifiziert: Ca. 2% der 15N-Markierung wurde als NO3- und NH4+ nachgewiesen , was für die gleichzeitige TNT-Denitrierung (I) und Reduktion mit N-Abspaltung aus einer Aminogruppe (II) spricht. Die isotopische Anreicherung von NO2-/NO3- (bis zu 7,5 atom% 15N-Häufigkeit) legt die Bildung eines Meisenheimer-Komplexes mit anschließender Denitrierung von 15N-TNT nahe. 1,4% der Markierung wurde in N2O und N2 wiedergefunden. Die enorme Anreicherung von bis zu 38 atom% demonstrierte , dass beide N Atome vom markierten TNT stammten , was für einen neuen Freisetzungsmechanismus (III) spricht. Als Erklärung schlagen wir die Bildung von N2O aus der Spaltung von kondensierten Azoxy-Metaboliten vor. Zusätzliche 1,7% er 15N-Markierung wurden als biogene Aminosäuren im pilzbewachsenem Weizenstroh gefunden. Insgesamt wurden zwischen 60 und 85% des eingesetzten 15N-TNT abgebaut , wobei 52 bis 64% als nicht-extrahierbare Rückstände in der Bodenmatrix wiedergefunden wurden. Drei Prozent der Markierung wurden in 2-Amino-4,6-Dinitrotoluol und in 4-Amino-2,6-Dinitrotoluol detektiert. Biological treatment of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) in soil rarely results in complete mineralization of the parent compound. More often, the largest proportion of the TNT carbon is incorporated into the soil organic matrix. Therefore, we evaluated the stability of nonextractable residues from various bioremediation processes of 14C-TNT in soils. The extractable amounts of the residual radioactivity varied between 7 and 33% and thus the nonextractable amount between 93 and 67% (3-15% in fulvic acids, 26-46% in humic acids, and 27-44% in the humin fraction). The residue-containing soils were analyzed for the release of radioactivity after treatment by physical (freeze and thaw, grinding of soil, and steam extraction), chemical (acid rain and addition of metal complexing agent), and biological methods (addition of compost, white rot fungi, radical-generating enzymes, and germination of plants). Freeze and thaw treatment and grinding of the soil did not alter the partitioning of the label significantly. Steam extraction and acid rain extraction increased the water extractability to 11 to 29% and to 51.6% in the native TNT-contaminated soil. The addition of ethylenediamine-tetraacetate (EDTA) increased the extractability from 7 to 12%. After biological treatment, only slightly increased extractability (K10%) was observed. No increase of extractable TNT or known metabolites was observed with any of the treatments. Thus, under the treatment conditions applied in this study, the residues formed during microbial transformation of TNT may be biogenic residues with low mobilization potential and low hazardous impact. The fates of the labels from [14C] and [15N] trinitrotoluene were analyzed in bioreactors under aerobic conditions in soil treated by a fungal bioremediation process with Stropharia rugosoannulata and in control soil. Up to 17.5% of the 15N label had a different fate than the 14C label. Three N-mineralization processes were identified in detailed experiments with [15N]TNT. About 2% of the 15N label was found as and , showing simultaneous processes of direct TNT denitration (I) and reduction with cleavage of the amino groups (II). The enrichment of NO2-/ NO3- (up to 7.5 atom% 15N abundance) indicates the formation of Meisenheimer complexes with a denitration of [15N]TNT. A 1.4% of the label was found distributed between N2O and N2. However, the 15N enrichment of the N2O (up to 38 atom%) demonstrated that both N atoms were generated from the labeled TNT and clearly indicates a novel formation process (III). We propose, as an explanation, the generation of N2O by cleavage from condensed azoxy metabolites. In addition, 1.7% of the 15N label was detected as biogenic amino acids in the wheat straw containing the fungus. Overall, 60 to 85% of the applied [15N]TNT was degraded and 52 to 64% was found as nonextractable residues in the soil matrix. Three percent was detected as 2-amino-4,6-dinitrotoluene and 4-amino-2,6-dinitrotoluene.