А.О. Зульфігаров1, М.С. Артамонов2, О.С. Зульфігаров2
1Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
2НВК «Екофарм», м. Київ, Україна
Резюме. Використання в Україні нітроароматичних сполук у різних сферах промисловості, їхнє накопичення у критичних обсягах в зоні воєнних дій і на прилеглих територіях потребують розробки сучасних методів їх знищення з метою мінімізації шкідливого впливу на здоров’я людини та середовище її життєдіяльності.
Мета. Аналіз сучасних біологічних методів утилізації вибухових речовин на прикладі біорозкладання нітроароматичних сполук.
Матеріали та методи. Результати наукових досліджень і дані відкритих джерел наукової інформації, що висвітлюють питання розробки біологічних методів утилізації вибухових речовин. Використано методи контент-аналізу, системного і порівняльного аналізу.
Результати дослідження. Узагальнено сучасні напрямки у сфері розробки методів біодеградації нітроароматичних сполук. Висвітлено, на прикладі тротилу, аеробний і анаеробний механізми розкладання нітроароматичних сполук бактеріями і біодеградації грибами. Розкриті особливості метаболізму нітроароматичних сполук за участі різних мікроорганізмів. Розглянуті сучасні методи біодеградації відходів боєприпасів, такі як: біоремедіація, фіторемедіація, компостування та застосування біореакторів. Зроблено акцент на актуальність пошуку ферментів, що беруть участь у деградації нітроароматичних сполук, серед яких мають особливі біотехнологічні перспективи бактеріальні нітроредуктази, які є каталізаторами процесу послідовного перенесення електронних пар до нітрогруп ароматичних сполук з наступним утворенням нітрозо-, гідроксиламіно- і амінопохідних.
Висновки. Наукові дослідження і сучасний воєнний досвід свідчать про те, що біоремедіація та фіторемедіація є перспективними методами усунення негативного впливу на довкілля нітроароматичних сполук, токсичних промислових відходів і компонентів боєприпасів.
Ключові слова: вибухові речовини, боєприпаси, утилізація, біорозкладання.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ / REFERENCES
1. Chatterjee S, Deb U, Datta S, Walther C, Gupta DK. Common explosives (TNT, RDX, HMX) and their fate in the environment: Emphasizing bioremediation. Chemosphere. 2017 Oct;184:438-451. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2017.06.008.
2. Kovacic P, Somanathan R. Nitroaromatic compounds: Environmental toxicity, carcinogenicity, mutagenicity, therapy and mechanism. J Appl Toxicol. 2014 Aug;34(8):810-24. DOI: 10.1002/jat.2980
3. Ju K-S, Parales RE. Nitroaromatic compounds, from synthesis to biodegradation. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 2010. P. 250-72. DOI: 10.1128/MMBR.00006-10.
4. Bilal M, Bagheri AR, Bhatt P, Chen S. Environmental occurrence, toxicity concerns, and remediation of recalcitrant nitroaromatic compounds. J Environ Manage. 2021 Aug 1;291:112685. DOI: 10.1016/j.jenvman. 2021.112685.
5. Craig H, Sisk WE, Nelson MD, Dana WH. Bioremediation of Explosives Contaminated Soils: A Status Review. Proceedings of the 10th Annual Conference on Hazardous Waste Research. 1995. 164-77. URL: https://www.researchgate.net/publication/237469945_Bioremediation_of_Explosives_Contaminated_Soils_A_Status_Review.
6. Ariyarathna T, Vlahos P, Smith RW, Fallis S, Groshens T, Tobias C. Biodegradation and mineralization of isotopically labeled TNT and RDX in anaerobic marine sediments. Environ Toxicol Chem. 2017 May;36(5):1170-80. DOI: 10.1002/etc.3666.
7. Panz K, Miksch K. Phytoremediation of explosives (TNT, RDX, HMX) by wild-type and transgenic plants. J Environ Manage. 2012 Dec 30;113:85-92. DOI: 10.1016/j.jenvman.2012.08.016.
8. Zhang T, Zhang H. Microbial Consortia Are Needed to Degrade Soil Pollutants. Microorganisms. 2022 Feb; 10(2): 261. DOI: 10.3390/microorganisms10020261.
9. Menezes O, Owens C, Rios-Valenciana EE, Sierra- Alvarez R, Field JA, Spain JC. Designing bacterial consortia for the complete biodegradation of insensitive munitions compounds in waste streams. Biotechnol Bioeng. 2022 Sep;119(9):2437-2446. DOI: 10.1002/bit.28160.
10. Alami NH, Shoraya UM, Nimatuzahroh F. The Influence of Microbial Consortium in Bioremediation Process using Bioreactor. PTEK, Journal of Science, Vol. 1 No. 1, 2014 (eISSN: 2337-8530). DOI:10.12962/j23378530.v1i1.a436.
11.Li X, Wu S, Dong Y, Fan H, Bai Z, Zhuang X. Engineering Microbial Consortia towards Bioremediation. Water 2021, 13, 2928. DOI: 10.3390/w13202928.
12. Hayaishi O, Nozaki M. Nature and mechanisms of oxygenases. Science 1969 № 164, p. 389-396. DOI: 10.1126/science.164.3878.389.
13. Blasco RE, Wray MV, Pieper DH, Timmis K, Castillo F. 3-Nitroadipate, a metabolic intermediate for the mineralization of 2,4-dinitrophenol by a new strain of a Rhodococcus Species. J. Bacteriol. 1999. 181:149– 152. DOI: 10.1128/jb.181.1.149-52.1999.
14. Nishino SF, Paali GC, Spain JC. Aerobic degradation of dinitrotoluenes and pathway for bacterial degradation of 2,4-dinitrotoluene. Appl. Envirion. Microbiol. 2000. 66, p. 2139-2147. DOI: 10.1128/aem.66.5.2139-47.2000.
15. Haidour A, Ramos IL. Identification of products resulting from the biological reduction of 2,4,6-trinitrotoluene, 2,4-dinitrotoluene and 2,6-dinitrotoluene by Pseudomonas sp. Envirion. Sci. Technol. 1996. 30. 2365-70.
16. Honeycutt ME, Jarvis AS, Mc Farland YA. Cytotoxicity and mutagenicity of 2,4,6-trinitrotoluene and its metabolites. Ecotoxicol. Environ. Sci. 1996. 35, p. 282-287. DOI: 10.1006/eesa.1996.0112
17. Rajan J, Valli K, Perkins RE, Sariaslani FS, Barns SM, Reysenbach A-L, Rehm S, Ehringer M, Pace NR. Mineralization of 2,4,6-trinitrophenol (picric acid): characterization and phylogenetic identification of microbial strains. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 1996. 16:319–324. DOI: 10.1007/BF01570041.
18. Ederer MM, Lewis TA, Crowford RL. 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) transformation by Clostridia isolated comparison with non-adapted bacteria. J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 1997. 18, p 82-8.
19. Esteve-Nuner A, Caballero A, Ramos J. Biological degradationof 2,4,6- trinitrotoluene. Microbiol. And Mol. Biol. Rev. 2001. V. 65, №3, p. 335-352. DOI: 10.1128/MMBR.65.3.335-52.2001.
20. Trinitrotoluene (TNT) as a sole nitrogen source for a sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio sp. (B strain) isolated from an anaerobic digester. Curr. Microbiol. 1992. 25, p. 235-241. DOI: 10.1007/BF01570724.
21. Schnell S, Schinck B. Anaerobic aniline degradation via reductivede amination of 4-aminobenzoyl-CoA in Desulfobacterium aniline. Arch. Microbiol. 1991. 155, p. 183-190.
22. Roldan M, Perez-Reinado E, Castillo F, Moreno- Vivián C. Reduction of polynitroaromatic compounds: the bacterial nitroreductases. Microbiol. Rev. 32, p. 474-500 (2008). DOI: 10.1111/j.1574- 6976.2008.00107.x
23. Dugue E, Haidour A, Godoy F, Ramos JL. Construction of a Pseudomonas hybrids train that miniralizes 2,4,6-trinitrotoluene. J. Bacterriology. 1993. V. 175, №8, p. 2278-2283. DOI: 10.1128/jb.175.8.2278-2283.1993.
24. Van Aken B, Godefroid LM, Peres CM, Naveau H, Agathos SN. Mineralization of 14C-ring labeled 4-hydroxylamino-2,6-dinitrotoluene by manganese – dependent peroxidase of the white-rot basidiomycete Phlebiaradiate. J. Biotechnol. 1999. 68, p. 159-169.
25. Tharakan JP, Gordon JA. Cametabolic biotransformation of TNT supported by aromatic and non-aromatic cosubstrates. Chemosphere, 1999, 38(6), Р. 1323– 1330.
26. Boopathy R, Manning J. Surfactant-enhanced bioremediation of soil contaminated with 2,4,6-trinitrotoluene in soils slurry reactors. Water Environ. Res. 1999. 71, №1, P. 119-124.
27. Palazzo AJ, Leggett DC. Effect and disposition of TNT in a Terrestrial plant. J. Envirol. Qual. 1986. 15, p. 49-52. DOI: 10.2134/jeq1986.00472425001500010012x.
28. Harvey SD, Fellows RJ, Cataldo DA, Bean RM. Analysis of 2,4,6-trinitrotoluene and its transformation products in soils and plant tissues by high-performance liquid chromatography. 1990. J. Chromatography, 518 (2), p. 361-374. DOI: 10.1897/1551-5028(1998)017<2266:TOTBTA>2.3.CO;2
29. Peterson MM, Horst GL, Shea PJ, Comfort SD. Germination and seedling development of switch grass and smooth brome grass exposed to 2,4,6-trinitrotoluene. Environ. Pollut. 1998. 99, p. 55-59. DOI: 10.1016/s0269-7491(97)00175-9.
30. Thompson PL, Ramer LA, Schnoor JL. Uptake and transformation of TNT by hybrid poplar trees. Environ. Sci. Technol. 1998, 32, p. 975-980. DOI: 10.1021/es970799n.
31. French CE, Rosser SJ, Davies GJ, Nicklin S, Bruce NC. Biodegradation of explosives by transgenic plants expressing Pentaerythritol Tetranitrate Reductase. Nat Biotechnol. 1999. 17, p. 481-494. DOI: 10.1038/8673.
32. French CE, Nicklin S, Bruce NC. Aerobic degradation of 2,4,6-trinitrotoluene by Enterobacter cloacae PB2 and by Pentaerythritol Tetranitrate Reductase. Appl. Environ Microbiol. 1998. 64, p. 2864-2868. DOI: 10.1128/aem.64.8.2864-2868.1998.
33. Peres CM, Agathos SN. Biodegradation of nitroaromatic pollutants: from pathway store mediation. Biotechnol. Ann. Rev. 2000. V.6, p. 197-220. DOI: 10.1016/s1387-2656(00)06023-3.
34. Williams RT, Ziegenfuss PS, Sisk WE. Composting of explosives and propellant contaminated soils under the thermophilic and mesophilic conditions. J. Ind. Microbiol. 1992. V.9, 137–144. DOI: 10.1007/BF01569746.
35. Boopathy R, Manning J, Kulpa CF. A laboratory study of the bioremediation of 2,4,6-trinitrotoluene contaminated soil using aerobic/anoxic soil slurry reactor. Water environment research. 1998. 70(1), 80-86.
Стаття надійшла до редакції 26.09.2023 р.
Received September, 26, 2023.