Sequential Fenton reaction and biodegradation for treating decabromodiphenyl ether in soil slurries

ملخص تقني: تفاعل فنتون المتتابع والتحلل الحيوي لمعالجة مادة ديكابنتابرووم ثنائي الفينيل الإيثر في ملاط التربة

بيان المشكلة
تعد مادة ديكابنتابرووم ثنائي الفينيل الإيثر (BDE-209)، وهي مادة منتشرة الاستخدام في مثبطات اللهب البرومية، من الملوثات العضوية الثابتة (POPs) التي تتراكم في التربة بسبب طبيعتها الكارهة للماء. وهي تشكل مخاطر بيئية وصحية جسيمة على الإنسان، بما في ذلك السمية التناسلية والتراكم في السلسلة الغذائية. وبينما يمكن لطرق الأكسدة الكيميائية مثل تفاعل فنتون أن تعمل على تفكيك هذه الملوثات بسرعة، إلا أنها غالباً ما تعاني من قيود في بيئات التربة، بما في ذلك تحمض التربة، وتدمير المجتمعات الميكروبية الأصلية، وانخفاض الكفاءة بسبب قدرة التربة على التخزين المؤقت واستهلاك المواد العضوية. ومن ناحية أخرى، فإن المعالجة الحيوية هي وسيلة متوافقة بيئياً ولكنها غالباً ما تتطلب فترات زمنية ممتدة وتواجه صعوبة مع المركبات شديدة المقاومة مثل BDE-209. تعالج هذه الدراسة الحاجة إلى استراتيجية متكاملة تستفيد من قدرات التحلل السريع للأكسدة الكيميائية لإنشاء وسائط قابلة للتحلل الحيوي، والتي يتم بعد ذلك تمعدنها بواسطة الكائنات الدقيقة، مما يتغلب على القيود الفردية لكل نهج على حدة.

المنهجية
استخدمت الدراسة تربة تم جمعها من مدينة تايتشونغ في تايوان (TCS)، حيث تم حقنها بـ 20 ملجم كجم⁻¹ من BDE-209. اتبع البحث نهجاً متتابعاً يتضمن ثلاث مراحل رئيسية:

1. تحسين تفاعل فنتون: قام المؤلفون بتحسين ثلاثة عوامل لتعظيم إزالة BDE-209: تركيز أيونات الحديدوز (Fe²⁺) (50، 500، 5,000 ملجم لتر⁻¹)، وتركيز بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) (يتراوح من 0 إلى 55,420 ملجم لتر⁻¹)، ووقت التفاعل (15 إلى 120 دقيقة). تم التركيز بشكل خاص على فعالية جرعات H₂O₂ المتعددة مقابل التطبيق بجرعة واحدة.
2. المعالجة المتتابعة (FB) مقابل التحلل الحيوي فقط (D11):
   • مجموعة FB: خضعت التربة للمعالجة المسبقة المحسنة بتفاعل فنتون (500 ملجم لتر⁻¹ من Fe²⁺ و 44,336 ملجم لتر⁻¹ من H₂O₂، متبوعاً بجرعتين إضافيتين من 22,168 ملجم لتر⁻¹ من H₂O₂ على فترات زمنية مدتها 30 دقيقة). تمت إزالة H₂O₂ المتبقي عبر الغسل قبل إضافة مستنبت بكتيري مختلط (مجتمع بكتيريا دا-آن) لفترة تحلل حيوي بلغت 133 يوماً.
   • مجموعة D11: خضعت التربة للتحلل الحيي فقط، بدءاً من تركيز BDE-209 المكافئ لمستوى ما بعد تفاعل فنتون في مجموعة FB (حوالي 11 ملجم كجم⁻¹) لتعمل كمجموعة ضابطة لمرحلة التحلل الحيوي.
   • مجموعة FC: تم الحفاظ على مجموعة ضابطة غير حيوية لمراقبة التغيرات غير البيولوجية.
3. التحليل: تم قياس تركيزات BDE-209 باستخدام GC/PDECD. وتم تحليل النواتج الثانوية الأنيونية (البروميد، النتريت، النترات) باستخدام الكروماتوغرافيا الأيونية. كما تم تقييم ديناميكيات المجتمع البكتيري عبر استنساخ وتسلسل 16S rDNA. بالإضافة إلى ذلك، تم فحص عشر سلالات بكتيرية معزولة من مجموعة FB باستخدام أطباق Biolog MT2 المجهرية لتحديد قدرتها على استخدام BDE-209 والمتلونات الأيضية المختلفة كمصادر وحيدة للكربون.

النتائج الرئيسية

• تحسين فنتون: تم تحديد الظروف المثلى لتفاعل فنتون عند 500 ملجم لتر⁻¹ من Fe²⁺ و 44,336 ملجم لتر⁻¹ من H₂O₂ تُطبق لمدة 30 دقيقة مع ثلاث جرعات متتابعة من H₂O₂. تحت هذه الظروف، أزال تفاعل فنتون وحده 37.22% من الـ 20 ملجم كجم⁻¹ الأولية من BDE-209. لاحظت الدراسة أن تركيزات H₂O₂ الزائدة (>47,000 ملجم لتر⁻¹) أو تركيزات Fe²⁺ العالية (>800 ملجم لتر⁻¹) أدت إلى انخفاض كفاءة الإزالة بسبب استهلاك جذور الهيدروكسيل (•OH) بواسطة H₂O₂ الزائد.
• كفاءة الإزالة المتتابعة: حققت عملية FB المتتابعة إزالة إجمالية بنسبة 75.05% (37.22% عبر فنتون + 60.29% من الملوث المتبقي عبر التحلل الحيوي). في المقابل، حققت مجموعة التحلل الحيي فقط (D11) إزالة بنسبة 38.35% فقط من نفس التركيز الابتدائي.
• الحركية: كان ثابت معدل الحركية من الدرجة الأولى الكاذبة لعملية FB المتتابعة هو 0.0069 يوم⁻¹، وهو أعلى بكثير من 0.0029 يوم⁻¹ الملاحظ في التحلل الحيي وحده.
• النواتج الثانوية: ارتفعت مستويات البروميد بشكل كبير في مجموعة FB، مما يشير إلى نزع البروم. وارتفعت مستويات النترات فقط خلال مرحلة التحلل الحيي، مما يشير إلى نشاط النترتة.
• تحولات المجتمع الميكروبي:
  • المجتمع الأولي: كان المستنبت الأولي يهيمن عليه Acidobacteria sp. (20%)، و Chlorobium sp. (15%)، و Gemmatimonas sp. (15%).
  • ما بعد فنتون (اليوم 0): بعد معالجة فنتون مباشرة، تحول المجتمع ليصبح مهيمناً بـ Pseudomonas sp. (50%) و Geobacter sp. (37.5%).
  • على المدى الطويل (اليوم 133): في مجموعة FB، ظهرت Acidobacteria sp. مجدداً كجنس سائد (21.43%–37.50%)، جنباً إلى جنب مع Verrucomicrobia sp. و Chlorobi sp. أظهرت مجموعة D11 اتجاهاً مشابهاً ولكن بوفرة نسبية أقل لـ Acidobacteria sp. (16.67%–22.73%).
• السلالات المعزولة: تم تحديد أربع سلالات قادرة على استخدام PBDEs ومتلوناتها كمصادر وحيدة للكربون وهي: Brachybacterium sp.، و Aminobacter sp.، و Pseudomonas sp.، و Brevibacterium sp. ومن الجدير بالذكر أن Pseudomonas sp. (سلالة B2) أظهرت القدرة على تفكيك مجموعة واسعة من المتجانسات، بما في ذلك BDE-209 و BDE-47 و BDE-100.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذه الدراسة توفر أساساً علمياً لتطوير استراتيجيات المعالجة في الموقع (in situ) للتربة الملوثة بـ BDE-209. تكمن الأهمية الأساسية في إثبات أن عملية (الفنتون-التحلل الحيي FB) المتتابعة تتغلب بفعالية على قيود استخدام أي من الطريقتين بمفردهما. تنجح المعالجة المسبقة بفنتون في تقليل تركيز BDE-209 المستعصي وتحويله إلى وسائط أكثر قابلية للتحلل الحيي، والتي تعزز لاحقاً كفاءة ومعدل التحلل الميكروبي.

تسلط الدراسة الضوء على أنه بينما يغير تفاعل فنتون بيئة التربة والتركيب الميكروبي الأولي، فإن النظام يستعيد ويدعم مجتمعاً ميكروبياً متنوعاً قادراً على المزيد من التحلل. إن تحديد سلالات محددة (Pseudomonas، Brachybacterium، Aminobacter، و Brevibacterium) يمكنها استخدام PBDEs ونواتجها الأيضية كمصادر للكربون يقدم مرشحين محتملين للتعزيز الحيوي في تطبيقات الميدان المستقبلية. ويخلص المؤلفون إلى أن هذا النهج المتكامل يعد استراتيجية قابلة للتطبيق لمعالجة الملوثات العضوية الثابتة في أنظمة التربة/المياه، رغم أنهم يشيرون إلى ضرورة إجراء المزيد من الدراسات باستخدام تربة خارج الموقع (ex situ) ومجموعة أوسع من الملوثات العضوية الثابتة لتوسيع نطاق تطبيق هذه الطريقة.