ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2011, том 441, № 3, с. 328-331
ХИМИЯ
УДК 547.622 + 544.478-03
УТИЛИЗАЦИЯ ПОЛИХЛОРБИФЕНИЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
© 2011 г. Д. О. Егорова, Е. Г. Плотникова, А. В. Мехаев, Ю. Г. Ятлук, член-корреспондент РАН В. А. Демаков, академик О. Н. Чупахин
Поступило 24.06.2011 г.
Одной из актуальнейших проблем современности является утилизация полихлорбифенилов (ПХБ) — синтетических экотоксикантов, опасных для здоровья человека и экологии, пока еще имеющихся в промышленности. Согласно Стокгольмской конвенции о стойких органических загрязнителях, подписанной Российской Федерацией в 2002 г., ПХБ и ПХБ-содержащие материалы должны быть изъяты из всех сфер производства до 2015 г. и полностью уничтожены до 2025 г. По разным источникам, на территории Росийской Федерации находится 180—500 тыс. т ПХБ, основная часть которых размещена в местах складирования или присутствует в электротехническом оборудовании.
Утилизация ПХБ осложнена их высокой химической устойчивостью, а также неоднородностью состава смесей, включающих до 60 компонентов из 209 возможных с разными количеством и положением заместителей в молекуле. Принципы "зеленой химии" требуют переработки ПХБ в экологически безопасные продукты. К настоящему времени разработано значительное количество химических методов, направленных на деструктивную переработку ПХБ. Однако большинство из них, в свою очередь, сопряжено с образованием опасных экотоксикантов, таких как полихлорированные дибензо-я-диоксины и дибензофураны. Основным, если не единственным, методом уничтожения ПХБ, применяемым в промышленном масштабе, является сжигание.
Анализ литературы показывает, что ПХБ сравнительно легко подвергаются химическим приемам функционализации: гидроксидехлорирова-нию (замещению хлора на гидроксил), карбокси-дехлорированию (замене хлора на карбоксил), гидродехлорированию и т.п. При этом в реакционной массе остается некоторая часть непрореа-
Институт экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской Академии наук, Пермь
Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения Российской Академии наук, Екатеринбург
гировавших соединений, представленная ди-, три- и тетрахлорбифенилами [1, 2].
В ряде работ, посвященных изучению проблемы переработки ПХБ, высказывается предположение, что химические и/или фотохимические методы разрушения ПХБ разумно использовать в комбинации с микробиологическими методами [1, 2]. В результате такого сочетания методов соединения, оставшиеся в качестве отходов после химических превращений, могут быть преобразованы в нетоксичные продукты с помощью микроорганизмов, уникальные особенности метаболизма которых позволяют разрушать токсичные хлорароматические вещества [3]. Многолетние мировые исследования показали, что разложение ПХБ до экологически безопасных соединений возможно под воздействием аэробных бактерий. Большинство описанных штаммов-деструкторов активны по отношению к моно-, ди- и трихлор-бифенилам, и лишь единичные штаммы способны трансформировать высокохлорированные би-фенилы, содержащие более четырех заместителей в молекуле [3, 4]. Следует отметить, что разложение ПХБ без накопления токсичных продуктов описано лишь для нескольких природных и генетически модифицированных штаммов [4—7].
В этой связи целью настоящей работы являлось экспериментальное изучение возможности сочетанного применения химических и микробиологических методов, обеспечивающих переработку смесей ПХБ без накопления токсичных отходов.
В результате проведенного исследования предложена комбинация методов, включающая в себя две стадии:
I стадия (химическая) — переработка смеси ПХБ методом гидроксидехлорирования с последующим отделением непрореагировавших компонентов;
II стадия (микробиологическая) — бактериальное превращение компонентов ПХБ, не вступивших в реакцию гидроксидехлорирования, с использованием активных аэробных штаммов-деструкторов.
В качестве объекта исследования была взята промышленная смесь ПХБ торговой марки "Совол". В составе этой смеси ПХБ преобладают пентахлор-бифенилы (53%), тетра- и гексахлорбифенилы представлены в равных долях (по 22%), остальные компоненты присутствуют в следовых количествах [2].
Химическая стадия состоит из двух этапов: 1) гидроксидехлорирование смеси ПХБ с получением смеси гидроксихлорбифенилов и отделением непрореагировавших хлорбифени-лов (ХБ, схема 1); 2) восстановительное дехлорирование смеси гидроксихлорбифенилов (схема 2).
VX^
(Cl)«
KOH, H2O, ДМСО, 150°C — KCl
Схема 1
\yOH
три-ХБ (2.5%) тетра-ХБ (88.3%) пента-ХБ (8.5%) гекса-ХБ (0.7%)
Смесь A
OH
Xci)^ i
H2O, «NaOH H2 (1 атм), 25°C, Pd/C — (« - 1) NaCl
OCT
о- : м- : п- = 30 : 18 : 52
Схема 2
Первый этап химической переработки заключался в гидроксидехлорировании ПХБ в специальных условиях [8], когда атом хлора замещается на гидроксильную группу (схема 1). После этого часть непрореагировавших ПХБ выделяли экстракцией из водно-щелочного раствора продуктов гидроксидехлорирования неполярным органическим растворителем. По результатам ГЖХ, в полученном экстракте присутствовали три-, тет-ра-, пента- и гекса-ХБ (смесь А). Тетрахлорбифе-нилы в смеси А доминировали (88.3%).
Второй этап — восстановительное дехлорирование смеси гидроксихлорбифенилов (схема 2). Процесс проводили в водно-щелочном растворе в
присутствии Pd/C при пропускании водорода в течение 6 ч. По результатам ГЖХ, образовавшийся продукт состоял из фенилфенолов (о- : м- : п- = = 30 : 18 : 52). Фенилфенолы являются сырьем для получения фенил фенол формальдегидных смол, обладающих высокой прочностью и отличными электроизоляционными характеристиками. Созданные на основе таких смол пластмассы широко применяют в машиностроении, автомобилестроении и других отраслях промышленности.
Микробиологическая стадия — бактериальная деструкция не вступивших в реакцию дехлорирования ПХБ, смесь А, с помощью штамма Rhodo-coccus ruber P25 (схема 3).
Cl
OH
OH o2 h2o
rr°
Cl
CL
H2C COOH 3
+
COOH
CL
COOH
-» Смесь
соединений, используемых живыми организмами для роста и развития
(OH)X
Схема 3
330 ЕГОРОВА и др.
Таблица 1. Разложение смеси А штаммом Rhodococcus ruber P25
Положение атомов
Концентрация компонентов ПХБ, %, при времени инкубации
хлора в молекуле ПХБ 0 ч 24 ч 48 ч 72 ч
2,4,4'- 0.44 ± 0.02 0 0 0
2,3,4,2'- 0.52 ± 0.02 0 0 0
2,3,4,3',4'- 0.65 ± 0.03 0 0 0
2,4,5,2',4',5'- 0.77 ± 0.01 0 0 0
2,3,3',5'- 0.94 ± 0.01 0 0 0
2,4,2'- 2.04 ± 0.01 0 0 0
2,3,3',4'- 2.08 ± 0.02 0.46 ± 0.03 0 0
2,3,6,4'- 5.27 ± 0.03 0.60 ± 0.01 0 0
2,6,3',4'- 1.22 ± 0.01 0.61 ± 0.01 0 0
2,4,5,3',4'- 1.50 ± 0.03 0.61 ± 0.01 0 0
2,3,2',5'- 1.61 ± 0.02 0.78 ± 0.01 0 0
2,3,4,2',4'- 1.65 ± 0.04 0.88 ± 0.02 0 0
2,3,4,4'- 2.24 ± 0.01 1.82 ± 0.02 0 0
2,4,2',4'- 12.49 ± 0.01 2.61 ± 0.02 0 0
2,5,3',5'- 10.12 ± 0.01 8.34 ± 0.02 2.03 ± 0.02 0
2,4,2',5'- 7.41 ± 0.01 6.30 ± 0.01 5.65 ± 0.02 0
2,4,6,4'- 7.21 ± 0.03 6.26 ± 0.01 5.81 ± 0.03 0
2,3,6,3',4'- 4.68 ± 0.04 3.01 ± 0.01 2.97 ± 0.01 2.40 ± 0.01
3,4,3',4'- 14.54 ± 0.02 9.81 ± 0.02 9.20 ± 0.01 3.10 ± 0.01
2,5,2',5'- 22.61 ± 0.01 21.93 ± 0.03 20.99 ± 0.01 16.00 ± 0.02
£ ПХБ, % 100 64.02 ± 0.02 46.65 ± 0.02 21.50 ± 0.01
В результате скрининга лабораторной коллекции штаммов-деструкторов ПХБ установлено, что наиболее перспективным для данного исследования является штамм R. ruber P25. Ранее нами показано, что этот штамм обладает уникальной деструктивной активностью по отношению к моно-, ди- и трихлорбифенилам, утилизирует их и продукты их метаболизма (хлорбензойные кислоты) без накопления токсичных соединений [5, 9].
Разложение смеси А осуществляли в условиях эксперимента с "отмытыми" клетками, как описано [6, 7], максимальное время инкубации 72 ч. Концентрация бактериальной биомассы составляла 1.5 • 109 КОЕ/мл, концентрация смеси А — 32 мг/л. Методом газохроматографического масс-спек-трометрического анализа (ГХ-МС-анализ) куль-туральной жидкости [7] установлено, что штамм осуществлял деструкцию всех исследованных ПХБ (табл. 1). Через 24 ч инкубации отмечалась 100%-я деструкция как трихлорбифенилов, так и тетразамещенного компонента — 2,3,3',5'-ХБ. В течение последующих 24 ч штамм R. ruber P25 трансформировал основную часть компонентов смеси А. Следует отметить, что этот штамм демонстрировал высокую деструктивную активность по отношению к 2,5,2',5'-ХБ, наиболее
устойчивому к микробной атаке. По уровню разложения данного компонента штамм R. ruber P25 превосходит известные штаммы Psychrobacter sp. 15, Pseudoalteromonas sp. 19, Arthrobacter sp. 74, Ral-stonia sp. SA-3 и Ralstonia sp. SA-4 [10—12].
Анализ образующихся метаболитов показал, что разложение ПХБ осуществляется штаммом R. ruber P25 по классическому пути окислительного (окислитель — кислород воздуха) расщепления бифенила и ПХБ (1) через стадию образования хлор-2,3-дигидроксибифенила (2), 2-оксо-пента-4-еновой (3) и хлорбензойных кислот (4), схема 3. Соединение 2 детектировали методом ГХ-МС [7], кислоты 4 определяли методом ВЭЖХ (хроматограф LC-10ADvp и детектор RF-10Axl ("Shimadzu", Япония), колонка Li-chrosorb RP-18 10U 250 х 4.6 мм ("Alltech", США)) в следующих условиях: подвижная фаза смесь аце-тонитрил-0.1%-й раствор Н3РО4 (70 : 30), скорость протока 0.70 мл/мин. Продукты деструкции ПХБ определяли в УФ-свете при длине волны 205 нм.
Установлено, что концентрация кислот 4 в культуральной жидкости в течение эксперимента изменялась (0.004—0.103 мг/л) и имела тенденцию к снижению. Кроме того, в среде было за-
фиксировано присутствие 4-гидроксибензойной кислоты (5) (0.031 ± 0.001 мг/л через 72 ч инкубации) - основного продукта гидролитического дехлорирования кислот 4 [13]. Хлор, входивший в состав ПХБ и их метаболитов, отщеплялся в результате ферментативного дегалогенирования и присутствовал в среде в виде аниона (66.5% от максимально возможного при полном дехлорировании смеси А). Эти факты свидетельствуют о том, что при разложении смеси А штаммом R. ru-ber P25 не происходило накопления токсичных соединений.
В литературе описано разложени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.