BTEX: Een ernstige grondwaterverontreiniging
INLEIDING
Er komt een aanzienlijke hoeveelheid benzine in het milieu terecht als gevolg van lekkage uit ondergrondse opslagtanks, accidentele lozingen of onjuiste afvalverwijderingspraktijken (Bowlen en Kosson, 1995). Wanneer benzine in contact komt met water, maken benzeen, tolueen, ethylbenzeen en de xyleenisomeren (BTEX) maar liefst 90% uit van de benzinecomponenten die in de in water oplosbare fractie worden aangetroffen (Saeed en Al-Mutairi, 1999). Bijgevolg behoren deze chemische stoffen tot de meest voorkomende verontreinigingen die in drinkwater worden aangetroffen. BTEX zijn giftig voor de mens en hun verwijdering uit verontreinigde omgevingen is van bijzonder belang (Mehlman, 1992). BTEX is niet één chemische stof, maar is een groep van de volgende chemische verbindingen: Benzeen, Tolueen, Ethylbenzeen en Xylenen. BTEX bestaan uit in de natuur voorkomende chemische stoffen die vooral worden aangetroffen in aardolieproducten zoals benzine. Naast benzine zijn BTEX te vinden in veel van de gewone huishoudelijke producten die we dagelijks gebruiken. BTEX behoren tot een klasse van chemische stoffen die bekend staan als Vluchtige Organische Stoffen (VOS).
Het doel van deze studie is informatie en een visueel inzicht te verschaffen in BTEX-verontreinigingen en hun eigenschappen hoe ze door bioremediatie uit het grondwater kunnen worden verwijderd. De stam 2479 werd geïsoleerd uit de bodem van de industriële gordel, gelegen in Rajbandh (West-Bengalen, India) waar het gebruik van polychloorkoolwaterstoffen (inclusief TCE) overvloedig is
Samenstelling van BTEX: De BTEX-groep van verontreinigende stoffen bestaat uit benzeen, ethylbenzeen, tolueen en drie isomeren van xyleen. Deze organische chemicaliën vormen een aanzienlijk percentage van de aardolieproducten (fig. 1).
| Fig. 1: | Het percentage (gewicht) van BTEX-componenten van benzine |
| Tabel 1: | De fysisch-chemische eigenschappen van BTEX |
| – | Benzeen kan worden gevonden in benzine en in producten zoals synthetisch rubber, plastics, nylon, insecticiden, verf, kleurstoffen, hars-lijm, meubelwas, detergenten en cosmetica |
| – | Uitlaatgassen van auto’s en industriële emissies zijn goed voor ongeveer 20% van de totale blootstelling aan benzeen in het hele land. Benzeen kan ook worden aangetroffen in sigarettenrook. Ongeveer 50% van de totale blootstelling aan benzeen in het hele land is het gevolg van het roken van tabak |
| – | Tolueen komt van nature voor als bestanddeel van veel aardolieproducten. Tolueen wordt gebruikt als oplosmiddel voor verven, coatings, gommen, oliën en harsen |
| – | Ethylbenzeen wordt vooral gebruikt als additief voor benzine en vliegtuigbrandstof. Het kan ook aanwezig zijn in consumentenproducten zoals verf, inkt, plastic en pesticiden |
| – | Xyleen is een lid van de BTEX-groep van verontreinigende stoffen. Ortho-xyleen is de enige in de natuur voorkomende vorm van xyleen; de andere twee vormen zijn door de mens gemaakt. Xylenen zijn kleurloze vloeistoffen die worden gebruikt in benzine en als oplosmiddel in de drukkerij-, rubber- en leerindustrie |
Fysisch-chemische eigenschappen: De fysisch-chemische eigenschappen van BTEX zijn weergegeven in tabel 1.
Verontreinigende eigenschappen:
| – | Molecuulgewicht: Het molecuulgewicht van een verbinding wordt gemeten in g mol-1. In het algemeen geldt: hoe hoger het molecuulgewicht, hoe minder goed oplosbaar in water. Het molecuulgewicht beïnvloedt ook de dichtheid van een verbinding |
| – | Oplosbaarheid in water: Oplosbaarheid is de meting van de maximale concentratie van een chemische stof die bij een bepaalde temperatuur in zuiver water zal oplossen, gemeten in mg L-1. De oplosbaarheid in water heeft grote gevolgen voor de verplaatsing en verspreiding van chemische stoffen door bodem en grondwater |
| – | Polariteit: Benzeen is apolair vanwege zijn bijna neutrale lading. Het is niet zo apolair als de andere verontreinigingen in de BTEX-groep en heeft het vermogen om in water op te lossen |
| – | Specifieke dichtheid: De dichtheid wordt gemeten als droge massa per volume (kg m-3). De dichtheid van de verontreinigingen beïnvloedt het vermogen van de organische verbinding om op water te drijven |
| – | Octanol-waterverdelingscoëfficiënt: Dit is de verhouding van de concentratie van een opgeloste stof in een tweefasensysteem bij evenwicht. Nadat een chemische stof in een octanol- en wateroplossing is gemengd, wordt het systeem in staat gesteld een evenwicht te bereiken. Dit is ook een maat voor de hydrofobiciteit van een organische stof. Hoe hydrofober, hoe meer de verontreiniging aan de bodem zal adsorberen en een lage oplosbaarheid zal hebben |
| – | Henry’s wetconstante: Deze beschrijft de beweging van chemicaliën van water naar lucht en ook van lucht naar water. Hoge waarden betekenen dat de chemische stof zich meer naar de gasfase beweegt, terwijl lage waarden in de waterfase blijven (tabel 1) |
Blootstelling aan en effecten van BTEX: blootstelling aan BTEX kan plaatsvinden door het drinken van verontreinigd water (inslikken), door het inademen van verontreinigde lucht uit het pompen van gas of uit het water via douchen of wassen (inademen) of door morsen op de huid.
Acute (kortdurende) blootstelling aan benzine en de bestanddelen benzeen, tolueen en xylenen is in verband gebracht met huid- en zintuiglijke irritatie, centraal zenuwstelsel-CNS problemen (vermoeidheid, duizeligheid, hoofdpijn, coördinatieverlies) en effecten op het ademhalingsstelsel (oog- en neusirritatie). Naast huid-, zintuig- en CZS-problemen kan langdurige blootstelling aan deze verbindingen ook de nieren, de lever en het bloedstelsel aantasten.
Bioremediatie van BTEX: Bioremediatie is een techniek om verontreinigde bodem en grondwater te saneren. Bij deze techniek breken micro-organismen de organische componenten af tot CO2 en water. Zuurstof en voedingsstoffen kunnen worden geïnjecteerd om de afbraaksnelheid te bevorderen. Als er niets wordt toegevoegd, wordt de biologische afbraak intrinsiek genoemd. De afbraak kan plaatsvinden met behulp van andere elektronenacceptoren dan zuurstof. Zo kan tolueen worden afgebroken via een anaërobe route waarbij nitraat als elektronenacceptor wordt gebruikt (Soerensen, 1996).
Aangenomen wordt dat de bioremediatie van BTEX-verontreiniging in de bodem berust op inheemse bacteriepopulaties; de betekenis van schimmels is over het hoofd gezien. Schimmels zijn in het algemeen bestand tegen zwaardere milieuomstandigheden dan bacteriën en zouden een belangrijke rol kunnen spelen bij de afbraak van petroleumkoolwaterstoffen in de bodem (Bossert en Bartha, 1984). Toch is de afbraak van BTEX-mengsels door schimmels slechts in beperkte mate bestudeerd met witrotschimmels (Braun-Lullemann et al., 1995; Yadav and Reddy, 1993). BTEX werden gemineraliseerd maar ondersteunden de schimmelgroei niet wanneer zij als enige bron van koolstof en energie werden aangevoerd. De extracellulaire lignine-afbrekende enzymen zijn in staat een breed scala van aromatische koolwaterstoffen te oxideren, maar zij lijken niet betrokken te zijn bij de afbraak van BTEX. De lage afbraaksnelheden en de noodzaak van een extra koolstofbron beperken het gebruik van witrotschimmels bij bioremediëring. Wanneer koolwaterstof-afbrekende microben worden gebruikt voor bioremediëring van benzinevervuiling, is het zeer onwaarschijnlijk dat zij op een enkel substraat stuiten. Wij meldden voor het eerst dat de groep Bacillus cereus werd gebruikt voor de biologische afbraak van TCE (trichlooretheen) (Mitra en Roy, 2010) en er werd ook getest dat de afbraak van TCE kon verbeteren in aanwezigheid van tolueen. Er zijn enkele studies gepubliceerd over substraatinteracties bij de afbraak van BTEX-mengsels door bacteriën (Rhodococcus rhodochrous, Arthrobacter sp. Pseudomonas sp.) (Alvarez en Vogel, 1991; Chang et al, 1993), maar analoge gegevens voor schimmels zijn nog zeer schaars.
Een gemengde bacteriecultuur (Paenibacillus pabulli, Micromonospora sp., Proteus mirabilis, Bacillus pumilus, Burkholderia sp., Xanthomonas sp, Bacillus coagulans, Bacillus stearothermophilus, Bacillus pallidus, Bacillus smithii en Klebsiella pneumonia) werd geïsoleerd zwaar verontreinigde site in Oost-regio van Saoedi-Arabië, in staat om BTEX efficiënt af te breken (Mohamed Arafa, 2003).
De bodemschimmel Cladophialophora sp. stam T1 (Prenafeta-Boldu et al., 2002) was in staat te groeien op een model van een in water oplosbare benzinefractie die alle zes BTEX-bestanddelen bevatte (benzeen, tolueen, ethylbenzeen en de xyleenisomeren). Benzeen werd niet gemetaboliseerd, maar de gealkyleerde benzenen (tolueen, ethylbenzeen en xylenen) werden afgebroken door een combinatie van assimilatie en co-metabolisme.
CONCLUSIE
Deze studie geeft een overzicht van de BTEX-verontreinigingen en hun karakteristieken en die door bioremediatie uit het grondwater kunnen worden verwijderd. Bioremediatie is namelijk een van de milieuvriendelijke manieren om toxische chemicaliën af te breken. In met BTEX verontreinigde grond kunnen zich micro-organismen bevinden die BTEX afbreken en als voedingsstof gebruiken. Met deze eenvoudige logica hebben wij de bodemmicro-organismen gescreend in de bodem van een industriegebied, het depot van de Indian Oil Corporation in Rajbandh bij Durgapur. Ons isolaat, stam 2479, werd geïsoleerd uit de bodem van de industriële gordel in Rajbandh (West-Bengalen, India) waar het gebruik van polychloorkoolwaterstoffen (waaronder TCE) overvloedig is (Dey en Roy, 2009). TCE is ook een milieuverontreinigende stof en een hepatocarcinogeen. De reden waarom de BTEX’s, die in onze bodem en ons grondwatersysteem terechtkomen, als zo’n ernstig probleem worden beschouwd, is dat ze allemaal een aantal acute en lange termijn toxische effecten hebben. Alle BTEX-verbindingen zijn acuut toxisch en hebben bij hoge concentraties merkbare gezondheidseffecten. De blootstelling aan deze verbindingen uit grondwatersystemen is gewoonlijk minimaal, maar de blootstellingen kunnen gedurende lange tijd persistent zijn (langetermijneffecten). Deze studie suggereert dus dat blootstelling aan BTEX uit een olielek gecorreleerd is met een verhoogd risico op gezondheidseffecten en dat er dus gepaste maatregelen moeten worden genomen. In de huidige studie leggen we de nadruk op bioremediatie van BTEX omdat het goedkoper en milieuvriendelijker is dan andere middelen zoals Vapour Phase Extraction, Air Sparging, Air Striping enz.
ACKNOWLEDGMENTS
De auteurs erkennen dankbaar Dr. Ashis Kumar Mondal voor het genereus ondersteunen van het programma. De auteurs zijn dank verschuldigd aan Sri Sushil Kumar Sinha voor het verlenen van technische bijstand tijdens computer work.
Leave a Reply