Evaluation of extraction methods of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from soil and sewage sludge matrix

• Autorzy: Włóka D. , Smol M.

Warianty tytułu

PL

Ocena metod ekstrakcji wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) z gleby i osadów ściekowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a large group of organic contaminants with related chemical structure and properties. In natural conditions, these compounds usually are in the form of mixtures. As their main source there are given the human activities. PAHs are composed of at least two aromatic rings without any additional substituents. A direct consequence of such structure are low solubility in water and high affinity for the sorption on the solid phase materials. Due to maintained properties the biggest reservoir of these substances are: soil, sediments, sewage sludge and solid waste fractions. The presence of large amounts of PAHs in an environment is associated with numerous problems. First of all, substances belonging to this group are characterized as highly toxic in relation to living organisms, including humans. Prolonged exposure to PAHs contributes also to the induction of spontaneous genetic changes which may lead to carcinogenesis. Taking the above information into account, it can be stated that the effective monitoring of PAHs content should have a great importance from the point of view of both environmental and human safety. The basic technique used for the quantitative isolation of PAHs from solid matrices (soil, sewage sludge) is the solid-liquid extraction method. This technique relies upon the ability of nonpolar organic solvents for elution of hydrophobic organic compounds from the environment in which they are located. Currently, in the scientific literature many various methods for PAHs extraction from solid matrix can be found. Each individual method is unique and depends mostly on the type of used solvent, the conditions in which the process is carried out and the number of auxiliary treatment affecting in particular the purity of the obtained extracts. The aim of the experiment was to compare the effectiveness of different techniques of extraction of PAHs from soil and sewage sludge. The scope of undertaken activities includes testing of the possibility to use four types of organic solvents (acetone, acetonitrile, methanol, and isopropanol) as PAHs extraction agents, and the study of the impact of additional treatments, such as sonification, filtration and SPE techniques on efficiency of sample preparation process. On the basis of obtained results, it can be stated that the highest efficiency of extraction of PAHs from soil can be achieved by using acetonitrile. In the case of sewage sludge the highest extraction efficiency was achieved in the methodology with use of acetone as extraction agent. The use of ultrasonic extraction technology combined with filtration and SPE methods allows to achieve high efficiency in isolation of PAHs from soil and sewage sludge.

PL

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) stanowią liczną grupę związkow organicznych o zbliżonej budowie chemicznej i podobnych właściwościach. W środowisku naturalnym występują zazwyczaj w postaci mieszanin, a ich głownym źrodłem jest działalność człowieka. WWA zbudowane są z co najmniej dwoch pierścieni aromatycznych i nie posiadają dodatkowych podstawnikow. Bezpośrednią konsekwencją takiej budowy jest niska rozpuszczalność w wodzie oraz duże powinowactwo do sorpcji na cząstkach stałych. Właściwości te sprawiają, iż największym rezerwuarem tych substancji są: środowiska glebowe, muły i osady denne, a także osady ściekowe i stałe frakcje odpadow. Występowanie dużych ilości WWA w środowisku związane jest z licznymi problemami. Przede wszystkim substancje należące do tej grupy charakteryzują się wysoką toksycznością w odniesieniu do organizmow żywych, w tym rownież do człowieka. Długotrwała ekspozycja na WWA ponadto przyczynia się do indukcji spontanicznych zmian genetycznych, prowadząc wielokrotnie do kancerogenezy. Biorąc pod uwagę wymienione powyżej informacje, stwierdzić można, że prowadzenie efektywnego monitoringu substancji należących do tej grupy ma duże znaczenie z punktu widzenia zarowno ochrony środowiska, jak i bezpieczeństwa ludzi. Podstawową techniką stosowaną do ilościowej izolacji WWA z matryc stałych (gleba, osady ściekowe) jest ekstrakcja metodą ciało stałe-ciecz. Technika ta opiera się na wykorzystaniu zdolności niepolarnych rozpuszczalnikow organicznych do wymywania hydrofobowych związkow organicznych ze środowiska, w ktorym się znajdują. Obecnie w literaturze naukowej opisane jest wiele metod ekstrakcji WWA z matryc stałych. Rożnią się one między sobą rodzajem zastosowanych rozpuszczalnikow, warunkami, w ktorych prowadzony jest proces oraz liczbą zabiegow pomocniczych, wpływających między innymi na stopień czystości uzyskiwanych ekstraktow. Celem opisywanego eksperymentu było porownanie efektywności działania rożnych technik ekstrakcji WWA z gleby oraz osadow ściekowych. Zakres podjętych działań obejmował badanie możliwości zastosowania czterech odczynnikow (aceton, acetonitryl, metanol i izopropanol) w charakterze czynnika ekstrakcyjnego oraz badanie wpływu dodatkowych zabiegow, w tym sonifikacji, filtracji oraz zagęszczania techniką SPE, na efektywność działania badanego procesu. Na podstawie uzyskanych wynikow stwierdzić można, iż najwyższą efektywność ekstrakcji WWA z gleby osiągnąć można przy użyciu acetonitrylu. W przypadku osadow ściekowych najwyższe stężenia badanych związkow osiągnięte zostały w metodyce wykorzystującej aceton jako odczynnik ekstrakcyjny. Zastosowanie techniki ekstrakcji ultradźwiękowej połączonej z filtracją i zagęszczaniem metodą SPE pozwala na osiągnięcie wysokiej efektywności w izolacji WWA z gleby i osadow ściekowych.

Słowa kluczowe

EN

polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs); extraction methods; soil; sewage sludge; organic pollutants

PL

wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne; WWA; metodyka ekstrakcji; gleba; osady ściekowe; zanieczyszczenia organiczne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 17, nr 4
• Strony: 689--702
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz.

Twórcy

autor

Włóka D.

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii Instytut Inżynierii Środowiska ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

autor

Smol M.

• Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Środowiska i Biotechnologii Instytut Inżynierii Środowiska ul. Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Czarnomski K., Persistent organic pollutants - Waste Management, Scientific Publisher Gabriel Borowski 2008, 15-18.
• [2] Lerda D., Polycyclic aromatic hydrocarbons factsheet, Belgium JRC 2010.
• [3] Oleszczuk P., Organic pollutants in sewage sludge-amended soil, part II, Fate of contaminants soils, Ecological Chemistry and Engineering 2007, 14(S2), 185-198.
• [4] Chen J., Wong M., Wong Y., Tama N., Multi-factors on biodegradation kinetics of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) by Sphingomonas sp., a bacterial strain isolated from mangrove sediment, Marine Pollution Bulletin 2008, 57(6-12), 695-702.
• [5] Wammer K., Peters C., Polycyclic aromatic hydrocarbon biodegradation rates: A structurebased study, Environ. Sci. Technol. 2005, 39(8), 2571-2578.
• [6] Nisbet I., LaGoy P., Toxic equivalency factors (TEFs) for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), Regul. Toxicol. Pharmacol. 1992, 16(3), 290-300.
• [7] Zhang Y., Wang J., Distribution and source of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the surface soil along main transportation routes in Jiaxing City, China Environ. Monit. Assess. 2011, 182, 535-543.
• [8] Xue W., Warshawsky D., Metabolic activation of polycyclic and heterocyclic aromatic hydrocarbons and DNA damage: A review, Toxicology and Applied Pharmacology 2005, 206(1), 73-93.
• [9] Platt K. L., Aderhold S., Kulpe K., Fickler M., Unexpected DNA damage caused by polycyclic aromatic hydrocarbons under standard laboratory conditions, Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis 2008, 650(2), 96-103.
• [10] Hildebrandt A., Lacorte S., Barcelo D., Occurrence and fate of organochlorinated pesticides and PAH in agricultural soils from the Ebro River basin, Archives of Environmental Contamination and Toxicology 2009, 57(2), 247-255.
• [11] Ghorbani-Nasrabadi R., Greiner R., Alikhani H., Hamedi J., Yakhchali B., Distribution of actinomycetes in different soil ecosystems and effect of media composition on extracellular phosphatase activity, Journal of Soil Science and Plant Nutrition 2013, 13(1), 223-236.
• [12] Wenclawiak B.W., Paschke T., Krappe M., Supercritical fluid extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) from native soil and fly ash with pure and modified carbon dioxide and dimethylether, Fresenius J. Anal. Chem. 1997, 357, 1128-1139.
• [13] Delhomme O., Rieb E., Millet M., Solid-phase extraction and LC with fluorescence detection for analysis of PAHs in rainwater, Chromatographia 2007, 65, 163-171.
• [14] Kayali-Sayadi M.N., Rubio-Barroso S., Diaz-Diaz C.A., Polo-Diez L.M., Rapid determination of PAHs in soil samples by HPLC with fluorimetric detection following sonication extraction, Fresenius J. Anal. Chem. 2000, 368, 697-702.
• [15] Turrio-Baldassarri L., Battistelli C.L., Iamiceli A.L., Evaluation of the efficiency of extraction of PAHs from diesel particulate matter with pressurized solvents, Anal. Bioanal. Chem. 2003, 375, 589-595.
• [16] Sample Preparation Fundamentals for Chromatography. Agilent Technologies, Canada 2013.
• [17] Reichardt, C., Welton T., Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry, John Wiley & Sons, 2011.
• [18] Kutsch H., Schoen U., A simplified HPTLC screening method for the estimation of the PAH content in soil samples, Fresenius J. Anal. Chem. 2000, 367, 279-283.
• [19] Fijałkowski K., Kacprzak M., Grobelak A., Placek A., The influence of selected soil parameters on the mobility of heavy metals in soil, Engineering and Environmental Protection 2012, 15(1), 81-92.
• [20] Rorat A., Kacprzak M., Vandenbulcke F., Płytycz B., Soil amendment with municipal sewage sludge affects the immune system of earthworms Dendrobaena veneta, Applied Soil Ecology 2013, 64, 237-244.
• [21] Placek A., Grobelak A., Grosser A., Napora A., Kacprzak A., Landspreading of sewage sludge from the food industry in the process of remediation of contaminated sites, Proceedings SUM 2014, Second Symposium on Urban Mining Bergamo, CISA Publisher, Italy 2014.
• [22] Kacprzak M., Grobelak A., Grosser A., Napora A., The potential of biosolid application for the phytostabilisation of metals, Desalination and Water Treatment 2014, DOI:10.1080/19443994.2014.887492.
• [23] Liu P., Zhu D., Zhang H., Shi X., Sun H., Dang F., Sorption of polar and nonpolar aromatic compounds to four surface soils of eastern China, Environmental Pollution 2008, 156(3), 1053-1060.
• [24] Sun F., Littlejohn D., Gibson M., Ultrasonication extraction and solid phase extraction clean-up for determination of US EPA 16 priority pollutant polycyclic aromatic hydrocarbons in soils by reversed phase liquid chromatography with ultraviolet absorption detection, Analytica Chimica Acta 1998, 364, 1-11.
• [25] Garcia A., Gonzalez-Ayuso E., Alonso J., Mendel A., Chromatographia 1992, 33, 225.
• [26] Oluseyi T., Olayinka K., Alo B., Smith R., Comparison of extraction and clean-up techniques for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in contaminated soil samples, African Journal of Environmental Science and Technology 2011, 5(7), 482-493,
• [27] Włodarczyk-Makuła M., Porownanie biotycznych i abiotycznych zmian WWA w glebie nawożonej osadami ściekowymi, Rocznik Ochrona Środowiska 2010, 12, 559-573.