Αποικοδόμηση του ζιζανιοκτόνου terbuthylazine σε τεχνητούς υγρότοπους και ανάπτυξη μεθόδων ανάλυσης αυτού και των κύριων μεταβολιτών του

Abstract

Aim of this work was to study the capability of constructed wetlands to reduce the xenobiotic organic substance of herbicide terbuthylazine in order to remediate surface water by above organic pollutant from catchment are with intensive agricultural acting. The first objective was to develop analytical methods for the qualitative and quantitative evaluation of herbicide terbuthylazine and its major hybroxy and N-dealkyluted metabolites, with solid phase extraction and high performance liquid chromatography analysis. The above constructed wetland system can be applicable and sustainable as a phytoremediation approach in order to reduce the xenobiotic herbicide substance of terbuthylazine. The method is cheap, accepted by the public and compared with chemical approaches are ecologically advantageous.

Η φυτοαποκατάσταση είναι μία αρκετά καινοτόμος τεχνική, η οποία συμβάλλει στον καθαρισμό επιβαρυμένων υδατικών και εδαφικών πόρων από οργανικούς ή ανόργανους ρύπους, με τη χρήση φυτών. Είναι μία στρατηγική αποκατάστασης χαμηλού κόστους, οικολογικά συμβατή, χωρίς τη χρήση χημικών πρόσθετων και επιπλέον κοινωνικά αποδεκτή. Εντούτοις, λίγα είναι τα παραδείγματα επιτυχούς εφαρμογής της. Η διαδικασία της φυτοαποκατάστασης είναι πολυσύνθετη, αφού λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα ποικίλες χημικές, βιοχημικές, φυσιολογικές διαδικασίες και μηχανισμοί, καθώς και ποικίλες οικολογικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ φυτών και μικροοργανισμών. Οι τεχνητοί υγρότοποι μπορούν να συνδυάσουν τους παραπάνω μηχανισμούς και να χρησιμοποιηθούν σε προγράμματα αποκατάστασης επιφανειακών υδάτων από οργανικούς ρύπους. Σε πειράματα ελεγχόμενων συνθηκών μελετήθηκε η δυνατότητα χρήσης τεχνητών υγροτοπικών προσομοιωμάτων στην απορρύπανση γεωργικών λυμάτων επιβαρυμένων με τη δραστική ουσία του ζιζανιοκτόνου terbuthylazine (TER). Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν οκτώ ομοιώματα τεχνητών υγροτόπων, με διαστάσεις 28Χ70cm, με βάθος υποστρώματος 30cm που περιέχουν το υγροτοπικό φυτό Typha latifolia L. Στους υγροτόπους χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι υποστρωμάτων, αμμοπηλώδες έδαφος (μαρμαρυγιακή άμμος από το Γαλλικό ποταμό) και αμμοπηλώδες έδαφος με ζεόλιθο (ασβεστούχος κλινοπτιλόλιθος) σε αναλογία 4/1 κατ΄ όγκο και δύο πυκνότητες φυτών Typha latifolia L. με δύο και έξι φυτά. Για τον πειραματικό σχεδιασμό και τη στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων, χρησιμοποιήθηκε το σχέδιο τυχαιοποιημένων πλήρων ομάδων (Randomized Complete Block Design). Αναπτύχθηκαν αναλυτικές μέθοδοι για τον ποσοτικό προσδιορισμό της δραστικής ουσίας του ζιζανιοκτόνου TER και των κύριων Ν-απαλκυλιωμένων μεταβολιτών de-ethyl-terbuthylazine (DET), de-isopropyl-atrazine (DIA) καθώς και των κύριων μεταβολιτών, hydroxy-terbuthylazine (HT), de-ethyl-hydroxyterbuthylazine (DEHT) και de-isopropyl-hydroxy-atrazine (DIHA). Περιλαμβάνουν προκατεργασία δείγματος και ειδικότερα μέθοδο εκχύλισης στερεάς φάσης και ανάλυσης σε σύστημα υγρής χρωματογραφίας υψηλής απόδοσης με ανιχνευτή φωτοδιόδων. Τα υποστρώματα για τα οποία αναπτύχθηκαν οι αναλυτικές μέθοδοι, αποτελούν το επιφανειακό νερό, το ίζημα του υποστρώματος των τεχνητών υγροτόπων, καθώς και ο φυτικός ιστός του Typha latifolia L. Οι αναλυτικές μέθοδοι βελτιστοποιήθηκαν, αξιολογήθηκαν και εφαρμόστηκαν και για τα τρία είδη δειγμάτων (νερό, ίζημα, φυτικός ιστός). Παρουσίασαν ικανοποιητική επαναληψιμότητα και αναπαραγωγιμότητα. Επίσης, παρουσίασαν υψηλή ευαισθησία και εκλεκτικότητα για όλους τους αναλύτες με χαμηλά όρια ανίχνευσης και ποσοτικού προσδιορισμού, καθώς επίσης και ικανοποιητικές ανακτήσεις με εξαιρετική χρωματογραφική συμπεριφορά. Επιπλέον, κατέστη δυνατή η εφαρμογή των παραπάνω αναλυτικών μεθόδων σε πραγματικά δείγματα, ώστε να είναι εφικτή η ταυτόχρονη ανάλυση όλων των αναλυτών διαφορετικής πολικότητας, με μία αναλυτική διαδικασία. Εξετάστηκε η δυνατότητα μείωσης του ζιζανιοκτόνου TER σε σύστημα τεχνητών υγροτόπων. Ειδικότερα, μελετήθηκε η αποικοδόμηση της TER σε προσομοιώματα τεχνητών υγροτόπων με χρόνο παραμονής του ζιζανιοκτόνου στους υγρότοπους επτά ημέρες. Η μελέτη έγινε με ποσοτικό προσδιορισμό του ζιζανιοκτόνου και των κύριων μεταβολιτών του από δείγματα επιφανειακού νερού στην έξοδο των υγροτόπων. Πραγματοποιήθηκαν έξι εφαρμογές με έξι δειγματοληψίες αντιστοίχως. Η χρήση των παραπάνω τεχνητών υγροτοπικών συστημάτων συμβάλλει στη μείωση του ζιζανιοκτόνου στο επιφανειακό νερό το οποίο διέρχεται από αυτούς. Η μείωση αυτή κυμαίνεται από 7,3 έως 23,4%. Η μείωση ήταν εντονότερη στους υγροτόπους οι οποίοι περιέχουν μεγαλύτερη πυκνότητα φυτών (6Φ) Typha latifolia L. και περιέχουν αμιγώς αμμοπηλώδες υπόστρωμα (Ε). Επίσης, μελετήθηκαν οι μηχανισμοί μεταβολισμού του TER και των μεταβολιτών του σε τεχνητούς υγροτόπους. Συγκεκριμένα, έγινε μία εφάπαξ εφαρμογή του ζιζανιοκτόνου χωρίς να ακολουθήσει είσοδος και έξοδος επιφανειακού νερού και διαδοχικές δειγματοληψίες σε διάστημα 44 ημερών. Η παρουσία του ζεόλιθου οδήγησε σε μεγαλύτερη κατακράτηση του ζιζανιοκτόνου και κατ΄ επέκταση σε μικρότερη βιοδιαθεσιμότητά του. Η μεγαλύτερη βιοδιαθεσιμότητα του ζιζανιοκτόνου στους μικροοργανισμούς των βιοαντιδραστήρων που δεν περιέχουν ζεόλιθο στο υπόστρωμά τους, μεταφράζεται σε μεγαλύτερη παραγωγή του απαλκυλιωμένου μεταβολίτη DIA. Χωρίς το ζεόλιθο, η αυξημένη δραστηριότητα οδηγεί σε περαιτέρω μεταβολικές διαδικασίες παράγοντας άλλους μεταβολίτες, ώστε η μεταβολική οδός να συνεχίζεται. O μεταβολίτης DIHA ακολουθεί τη συμπεριφορά του DIA με αποτέλεσμα να ανιχνεύεται περισσότερο στους υγρότοπους με αμμοπηλώδες έδαφος. Επίσης, επιβεβαιώνεται ότι είναι προϊόν κυρίως βιοτικών μηχανισμών αποικοδόμησης. Η παραγωγή του μεταβολίτη DET δεν επηρεάζεται από την παρουσία ζεόλιθου. Οι υγρότοποι που περιέχουν έξι φυτά Typha latifolia L. Εμφανίζουν μεγαλύτερη μεταβολική δραστηριότητα σε σχέση με αυτούς που περιέχουν δύο, με αποτέλεσμα ο ρυθμός σχηματισμού της DET και DIA καθώς και ο ρυθμός μείωσής τους μετά την εμφάνιση του μέγιστου να είναι μεγαλύτερος, παρουσιάζοντας έτσι στατιστικώς σημαντικές διαφορές στην χρονική διακύμανσή τους. Μάλιστα ο χρόνος ημίσιας ζωής του ζιζανιοκτόνου μειώθηκε στο μισό με τριπλασιασμό του αριθμού των φυτών. Η παρουσία μεγαλύτερης πυκνότητας φυτών Typha latifolia L. δεν παρουσίασε μεγαλύτερη συγκέντρωση του μεταβολίτη HT, αλλά αντίθετα μικρότερη, στους υγροτόπους που περιέχουν έξι φυτά. Στο σχηματισμό της HT συμμετέχουν κυρίως αβιοτικοί μηχανισμοί αποικοδομήσεως. Τέλος, μελετήθηκε η κατανομή του TER και των κύριων μεταβολιτών του στο φυτό Typha latifolia L. καθώς και στο υπόστρωμα των τεχνητών υγροτόπων. Πραγματοποιήθηκαν δειγματοληψίες φυτικού ιστού Typha latifolia L., εδαφικού διαλύματος από την περιοχή της ριζόσφαιρας και δειγματοληψίες υποστρώματος των υγροτόπων από βάθη 10, 20 και 30cm. Στο φυτικό ιστό του Typha latifolia L. ανιχνεύθηκαν μεγάλες συγκεντρώσεις τόσο του ζιζανιοκτόνου όσο και των μεταβολιτών του (Phytoextraction). Επίσης, ενισχύεται η πιθανότητα μεταβολισμού του ζιζανιοκτόνου μέσα στο φυτικό ιστό. Όσον αφορά την αποικοδομητική δραστηριότητα στη περιοχή της ριζόσφαιρας, το ζιζανιοκτόνο TER εμφάνισε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις σε δείγματα επιφανειακού νερού σε σχέση με δείγματα εδαφικού διαλύματος σε βάθος 10cm από την επιφάνεια του υποστρώματος των τεχνητών υγροτόπων, πλησίον της περιοχής της ριζόσφαιρας. Αντίθετα, οι μεταβολίτες του ζιζανιοκτόνου ανιχνεύτηκαν σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στα δείγματα του εδαφικού διαλύματος σε σχέση με αυτά του επιφανειακού νερού. Στατιστικώς σημαντικές διαφορές παρουσίασαν μόνο οι Ν-απαλκυλιωμένων μεταβολιτών DIA και DET, ενισχύοντας τη συνεισφορά των βιοτικών μηχανισμών στην αποικοδόμηση του TER. Η κατανομή του ζιζανιοκτόνου στην εγκάρσια κατακόρυφη τομή του υποστρώματος των τεχνητών υγροτόπων στα βάθη 10, 20 και 30cm, παρουσιάζεται βαθμιδωτή μείωση όσο αυξάνεται το βάθος. Παρατηρείται μία τάση για μεγαλύτερη συσσώρευση των Ν-απαλκυλιωμένων μεταβολιτών DIA και DET στα 20cm βάθος του υποστρώματος εξαιτίας της εντονότερης βιοαποικοδομητικής δραστηριότητας στη ζώνη αυτή. Ο HT μεταβολίτης του ζιζανιοκτόνου έχει τη τάση να συσσωρεύεται στα 10cm του υποστρώματος των υγροτόπων, εξαιτίας της μικρότερης υδατοδιαλυτότητάς του, καθώς και από τη συνεισφορά και αβιοτικών παραγόντων στο σχηματισμό του. Γενικά, το σύστημα των τεχνητών υγροτόπων συμβάλλει στη μείωση του TER σε επιφανειακά νερά διερχόμενα από αυτούς. Συμβάλλουν τόσο βιοτικοί όσο και αβιοτικοί μηχανισμοί αποικοδόμησης στη μείωσή του. Η μείωση αυτή επηρεάζεται έμμεσα από τα δύο κύρια δομικά συστατικά των τεχνητών υγροτοπικών συστημάτων δηλαδή της σύστασης του υποστρώματος και της πυκνότητας των υγροτοπικών φυτών. Η έμμεση μείωση προέρχεται από τη βιοδιέγερση του ενδογενούς μικροβιακού πληθυσμού στην περιοχή της ριζόσφαιρας των φυτών, ο οποίος βιοαποικοδόμησε τη ξενοβιοτική ουσία. Επίσης, η σύσταση του υποστρώματος επηρεάζει τη βιοαποικοδόμηση έμμεσα, εξαιτίας της προσρόφησης του οργανικού ρύπου και επομένως μείωσης της βιοδιαθεσιμότητάς του. Η άμεση επίδραση των δομικών συστατικών στη μείωση του ρύπου προέρχεται από την απευθείας απορρόφηση του από το φυτό και από την αποικοδόμησή του μέσα στους φυτικούς ιστούς του Typha latifolia L. Τέλος, το υγροτοπικό σύστημα συμβάλει στη μείωση του ρύπου είτε με τη παραγωγή μη τοξικών μεταβολιτών είτε με την παραγωγή μεταβολιτών που είναι επιρρεπείς σε περαιτέρω αποικοδόμηση.