Изучение содержания и скорости деградации полициклических ароматических углеводородов биоуглей, применяемых для ремедиации почв

Растущая во всем мире практика внесения биоугля в качестве почвенных мелиорантов, а также сорбентов для восстановления почв загрязненных органическими и неорганическими поллютантами, включая нефтепродукты и тяжелые металлы, может приводить к загрязнению окружающей среды побочными продуктами пиролиза. Наиболее опасным является потенциальное загрязнение почвы полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), которые неизбежно образуются при производстве пирогенного продукта. В работе использовали биоугли, полученные из различного растительного сырья при разных режимах пиролиза. Суммарное содержание ПАУ в исследуемых образцах варьировало в диапазоне от 8,49 до 221,21 мкг/кг, что не превышает предельных концентраций, установленных Международной инициативой по биоуглю. Кроме того, в составе биоуглей обнаружены многоядерные углеводороды с высокими канцерогенными и иммуннотоксичными свойствами. Исследовано влияние конечной температуры пиролиза на общее содержание и состав ПАУ в побочных продуктах пиролиза. Для изучения скорости деградации ПАУ, проводился лабораторный инкубационный эксперимент с загрязнением почвы экстрактами ПАУ, извлеченными из биоугля липы, и определением остаточного количества поллютантов в течение 11 месяцев. Полная деградация некоторых 3–5-членных ПАУ была обнаружена после 1–2 месяцев. Наиболее стойкими оказались бенз(а)пирен, бенз(б)флуорантен и пирен, концентрация которых через 11 месяцев снизилась до 31–71%. Наиболее медленная деградация была обнаружена в вариантах опыта с более сильным уровнем загрязнения ПАУ. Сделан вывод, что в почвах может происходить селективное накопление наиболее устойчивых к биодеградации многоядерных ПАУ.

1. Никифорова Е.М., Кошелева Н.Е. (2011). Полициклические ароматические углеводороды в городских почвах (Москва, Восточный округ). Почвоведение, (9), с. 1114–1127.

2. Рязанов С.С., Грачев А.Н., Кулагина В.И., Хайруллина А.М. (2020). Содержание тяжелых металлов в растениях при внесении различных видов биоуглей в серую лесную почву. Российский журнал прикладной экологии, (3), с. 29–34.

3. СанПиН 1.2.3685-21. (2021). Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. М., 469 с.

4. Смирнова Е.В., Гиниятуллин К.Г., Валеева А.А., Ваганова Е.С. (2018). Пироугли как перспективные почвенные мелиоранты: оценка содержания и спектральные свойства их липидных фракций. Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки, 160(2), с. 259–275.

5. Сунгатуллина Л.М., Кулагина В.И., Грачев А.Н., Рязанов C.C., Шагидуллин Р.Р., Рупова Э.Х. (2019). Коэффициент иммобилизации азота как критерий эколого-биологической оценки воздействия биоугля на почву Российский журнал прикладной экологии, (2), с. 49–53.

6. Цибарт А.С., Геннадиев А.Н. (2013). Полициклические ароматические углеводороды в почвах: источники, поведение, индикационное значение (обзор). Почвоведение, (7), c. 788–802. https://doi.org/10.1134/S1064229313070090

7. Яковлева Е.В., Габов Д.Н., Безносиков В.А., Кондратенок Б.М. (2014). Полициклические ароматические углеводороды в почвах и растениях нижнего яруса южной кустарниковой тундры в условиях техногенеза. Почвоведение, (6), c. 685–696. https://doi.org/10.7868/S0032180X14060124

8. Bandowe B.A.M., Shukurov N., Leimer S., Kersten M., Steinberger Y., Wilcke W. (2021). Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils of an industrial area in semi-arid Uzbekistan: Spatial distribution, relationship with trace metals and risk assessment. Environmental Geochemistry and Health, 43, pp. 4847–4861. https://doi.org/10.1007/s10653-021-00974-3

9. Beesley L., Moreno-Jiménez E., Gomez-Eyles J.L., Harris E., Robinson B., Sizmur T. (2011). A review of biochars’ potential role in the remediation, revegetation and restoration of contaminated soils. Environmental Pollution, 159(12), pp. 3269–3282. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2011.07.023

10. Beusch C. (2021). Biochar as a Soil Ameliorant: How Biochar Properties Benefit Soil Fertility – A Review. Journal of Geoscience and Environment Protection, 9(10), pp. 28–46. https://doi.org/10.4236/gep.2021.910003

11. Buss W., Graham M.C., MacKinnon G., Mašek O. (2016). Strategies for producing biochars with minimum PAH contamination. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 119, pp. 24–30. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2016.04.001

12. Bilias F., Nikoli T., Kalderis D., Gasparatos D. (2021). Towards a Soil Remediation Strategy Using Biochar: Effects on Soil Chemical Properties and Bioavailability of Potentially Toxic Elements. Toxics, 9(8), 184. https://doi.org/10.3390/toxics9080184

13. Brtnicky M., Datta R., Holatko J., Bielska L., Gusiatin Z.M., Kucerik J., Hammerschmiedt T., Danish S., Radziemska M., Mravcova L., Fahad Sh., Kintl A., Sudoma M., Ahmed N., Pecina V. (2021). A critical review of the possible adverse effects of biochar in the soil environment. Science of the Total Environment, 796, 148756. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148756

14. Cao X.D., Ma L.N., Gao B., Harris W. (2009). Dairy-manure derived biochar effectively sorbs lead and atrazine. Environmental Science and Technology, 43(9), pp. 3285–3291. https://doi.org/10.1021/es803092k

15. Devi P., Saroha A.K. (2015). Effect of pyrolysis temperature on polycyclic aromatic hydrocarbons toxicity and sorption behaviour of biochars prepared by pyrolysis of paper mill effluent treatment plant sludge. Bioresource Technology, 192, pp. 312–320. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.05.084

16. Domene X., Enders A., Hanley K., Lehmann J. (2015). Ecotoxicological characterization of biochars: Role of feedstock and pyrolysis temperature. Science of the Total Environment, 512–513, pp. 552–561. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.12.035

17. Dutta T., Kwon E., Bhattacharya S.S., Jeon B.H., Deep A., Uchimiya M., Kim K.-H. (2017). Polycyclic aromatic hydrocarbons and volatile organic compounds in biochar and biochar–amended soil: A review. GCB Bioenergy, 9, pp. 990–1004. https://doi.org/10.1111/gcbb.12363

18. European Union, Commission Recommendation (2005). Commission recommendation on the further investigation into the levels of polycyclic aromatic hydrocarbons in certain foods: 2005/108/EC. https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX%3A32005H0108

19. Fabbri D., Rombolà A.G., Torri C., Spokas K.A. (2013). Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in biochar and biochar amended soil. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 103, pp. 60–67. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2012.10.003

20. Hale S.E., Lehmann J., Rutherford D., Zimmerman A.R., Bachmann R.T., Shitumbanuma V., O’Toole A., Sundqvist K.L., Arp H.P.H., Cornelissen G. (2012). Quantifying the total and bioavailable polycyclic aromatic hydrocarbons and dioxins in biochars. Environmental Science and Technology, 46(5), pp. 2830–2838. https://doi.org/10.1021/es203984k

21. Greco G., Videgain M., Stasi C.D., Pires E., Manyà J.J. (2021). Importance of pyrolysis temperature and pressure in the concentration of polycyclic aromatic hydrocarbons in wood waste-derived biochars. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 159, 105337. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105337

22. IBI (2013). Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar that is used in Soil. International Biochar Initiative, 48 p. https://biochar-international.org/wp-content/uploads/2018/05/IBI_Biochar_Standards_V1.1.pdf

23. Famiyeh L., Chen K., Xu J., Sun Y., Guo Q., Wang Ch., Lv J., Tang Y.-T., Yu H., Snape C., He J. (2021). A review on analysis methods, source identification, and cancer risk evaluation of atmospheric polycyclic aromatic hydrocarbons. Science of the Total Environment, 789, 147741.

24. Johnsen A.R., Karlson U. (2005). PAH degradation capacity of soil microbial communities-does it depend on PAH exposure? Microbial Ecology, 50(4), pp. 488–495. https://doi.org/10.1007/s00248-005-0022-5

25. Johnsen, A.R., Wick L.Y., Harms H. (2005). Principles of microbial PAH-degradation in soil. Environmental Pollution, 133(1), pp. 71–84. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2004.04.015

26. Keiluweit M., Kleber M., Sparrow M.A., Simoneit B.R.T., Prahl F.G. (2012). Solvent-extractable polycyclic aromatic hydrocarbons in biochar: influence of pyrolysis temperature and feedstock. Environmental Science & Technology, 46(17), pp. 9333–9341. https://doi.org/10.1021/es302125k

27. Keiluweit M., Nico P.S., Johnson M.G., Kleber M. (2010). Dynamic molecular structure of plant biomass‐derived black carbon (biochar). Environmental Science & Technology, 44(4), pp. 1247–1253. https://doi.org/10.1021/es9031419

28. Krzyszczak A., Dybowski M.P., Czech B. (2021). Formation of polycyclic aromatic hydrocarbons and their derivatives in biochars: The effect of feedstock and pyrolysis conditions. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 160, 105339. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2021.105339

29. Łyszczarz S., Lasota J., Szuszkiewicz M.M., Błońska E. (2021). Soil texture as a key driver of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) distribution in forest topsoils. Scientific Reports, 11, 14708. https://doi.org/10.1038/s41598-021-94299-x

30. Maliszewska-Kordybach B. (1996). Polycyclic aromatic hydrocarbons in agricultural soils in Poland: Preliminary proposals for criteria to evaluate the level of soil contamination. Applied Geochemistry, 11(1–2), pp. 121–127. https://doi.org/10.1016/0883-2927(95)00076-3

31. Nakajima D., Nagame S., Kuramochi H., Sugita K., Kageyama S., Shiozaki T., Takemura T., Shiraishi F., Goto S. (2007). Polycyclic aromatic hydrocarbon generation behavior in the process of carbonization of wood. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 79, pp. 221–225. https://doi.org/10.1007/s00128-007-9177-8

32. Patel A.B., Shaikh S., Jain K.R., Desai Ch., Madamwar D. (2020). Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: Sources, Toxicity, and Remediation Approaches. Frontiers in Microbiology, 11, 562813. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.562813

33. Pawar R.M. (2015). The Effect of Soil pH on Bioremediation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHS). Journal of Bioremediation & Biodegradation, 6, 291. https://doi.org/10.4172/2155-6199.1000291

34. Rong H., Hong-Fu W., Yan-Tun S., et al. (2007). Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Agricultural Soils of the Southern Subtropics, China. Pedosphere, 15, pp. 673–680. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(07)60081-2

35. Sadighbayan Kh., Assadi M.M., Farazmand A., Monadi A.R, Aliasgharzad N. (2016). Biodegradation of naphthalene, phenanthrene and anthracene (PAHs) with bacteria in the oily soil of Tabriz. Bioscience Biotechnology Research Communications, 9(3), pp. 399–405. http://dx.doi.org/10.21786/bbrc/9.3/9

36. Sawada A., Kanai K., Fukushima M. (2004). Preparation of artificially spiked soil with polycyclic aromatic hydrocarbons for soil pollution analysis. Analytical Sciences, 20, pp. 239–241. https://doi.org/10.2116/analsci.20.239

37. Sushkova S., Minkina T., Deryabkina (Turina) I., Antonenko E., Mandzhieva S., Zamulina I., Bauer T., Gromakova N., Vasilyeva G. (2019). Phytoaccumulation of Benzo[a]pyrene by the Barley in Artificially Contaminated Soil. Polycyclic Aromatic Compounds, 39(5), pp. 395–403. https://doi.org/10.1080/10406638.2017.1335217

38. Thies J., Rillig M. (2009). Characteristics of Biochar: Biochar Properties. Lehmann J., Joseph S. (Eds.) Biochar for Environmental Management Science and Technology, London: Earthscan, pp. 85–105.

39. U.S. EPA (1993). Provisional Guidance for the Quantitative Risk Assessment of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH): EPA/600/R-93/089. https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?Lab=NCEA&dirEntryId=49732

40. Wang C., Wang Y., Herath H.M.S.K. (2017). Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in biochar – Their formation, occurrence and analysis: A review. Organic Geochemistry, 114, pp. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2017.09.001

41. Wang J., Odinga E.S., Zhang W., Zhou X., Yang B., Waigi M.G., Gao Y. (2019). Polyaromatic hydrocarbons in biochars and human health risks of food crops grown in biochar-amended soils: A synthesis study. Environment International, 130, 104899. https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.06.009

42. Wilcke W. (2000). Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) in Soil – a Review. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 163(3), pp. 229–248. https://doi.org/10.1002/1522-2624(200006)163:3<229::AID-JPLN229>3.0.CO;2-6

43. Xiang L., Liu Sh., Ye Sh., Yang H., Song B., Qin F., Shen M., Tan Ch., Zeng G., Tan X. (2021). Potential hazards of biochar: The negative environmental impacts of biochar applications. Journal of Hazardous Materials, 420, 126611. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126611

44. Yaashikaa P.R., Kumar P.S., Varjani S.J., Saravanan A. (2019). Advances in production and application of biochar from lignocellulosic feedstocks for remediation of environmental pollutants. Bioresource Technology, 292, 122030. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2019.122030

45. Zhang C., Wu D., Ren H. (2020). Bioremediation of oil contaminated soil using agricultural wastes via microbial consortium. Scientific Reports, 10, 9188. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66169-5

46. Zhang X.-X., Cheng Sh.-P., Zhu Ch.-J., Sun Sh.-L. (2006). Microbial PAH-Degradation in Soil: Degradation Pathways and Contributing Factors. Pedosphere, 16(5), pp. 555–565. https://doi.org/10.1016/S1002-0160(06)60088-X

47. Zheng H., Qu C., Zhang J., Talpur Sh.A., Ding Y., Xing X., Qi Sh. (2019). Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in agricultural soils from Ningde, China: levels, sources, and human health risk assessment. Environmental Geochemistry and Health, 41, pp. 907–919. https://doi.org/10.1007/s10653-018-0188-7