Nitrification Potential as Indicator of PAHs Ecotoxicily in Freshly Contaminated Soils. Example of Phenanthrene and Pyrene

• Autorzy: Klimowicz-Pawlas A. , Maliszewska-Kordybach B.

Warianty tytułu

PL

Potencjał nitryfikacji jako wskaźnik ekotoksyczności WWA w glebach świeżo zanieczyszczonych na przykładzie fenantrenu i pirenu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The objective of the study was to evaluate the possibility of application of nitrification potential as an indicator of the ecotoxicity of PAHs to soil microorganisms in freshly contaminated soils. The effects of two model PAHs compounds phenanthrene and pyrene were studied under laboratory conditions (incubation of soils for 7 days at 20 š 2 st C). Eight soil tnaterials originated trom ploughing layer (0-20 cm) of soils not exposed to direct PAH sources were applied. Soil materials were spiked with phenanthrene or pyrene at the levels of 1, 10, 100 and 500 mg o kg-1. Contamination of soils with PAHs inhibited the actiyity of nitrifying bacteria, which appeared to be a sensitive indicator of the presence of PAHs. The effect of hydrocarbons was related to the soil characteristic and compound properties; the strongest inhibition corresponded to light soils with Iow organic matter content and Iow biological activity contaminated with phenanthrene, characterized by high water solubility and bioavailability. The high acidity of soils created additional stress to nitrifying bacteria and mus increased their susceptibility to the effect of contaminants such as PAHs.

PL

Celem pracy była ocena możliwości zastosowania potencjału nitryfikacji jako wskaźnika ekotoksyczności WWA w stosunku do mikroorganizmów glebowych w glebach świeżo zanieczyszczonych. Oddziaływanie dwóch modelowych związków z grupy WWA (fenantrenu i pirenu) badano w warunkach laboratoryjnych (inkubacja gleb przez 7 dni w temperaturze 20 + 2°C). Do badań zastosowano materiał glebowy pochodzący z warstwy ornej (0-20 cm) ośmiu gleb, z terenów użytkowanych rolniczo oddalonych od źródeł emisji WWA. Materiał glebowy sztucznie zanieczyszczano fenantrenem lub pirenem w ilości 1, 10, 100 i 500 mg o kg-1 gleby. Zanieczyszczenie gleb WWA spowodowało zahamowanie aktywności bakterii nitryflkacyjnych, które wydają się być czułym wskaźnikiem obecności WWA. Oddziaływanie węglowodorów było uzależnione od właściwości gleb oraz właściwości związków; najsilniejsze hamowanie potencjału nitryfikacji odnotowano w glebach lekkich o małej zawartości substancji organicznej oraz małej aktywności biologicznej zanieczyszczonych fenantrenem (charakteryzującym się dużą rozpuszczalnością w wodzie i biodostępnością). Dodatkowym czynnikiem stresowym dla bakterii nitryflkacyjnych była duża kwasowość gleb, która zwiększała ich wrażliwość na oddziaływanie zanieczyszczeń typu WWA.

Słowa kluczowe

EN

nitrification potential; polycyclic aromatic hydrocarbons; phenanthrene; pyrene; ecotoxicity parameters

PL

potencjał nitryfikacji; wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne; fenantren; Iren; parametry ekotoksyczności

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 17, nr 8
• Strony: 943--957
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., tab.

Twórcy

autor

Klimowicz-Pawlas A.

autor

Maliszewska-Kordybach B.

• Zakład Gleboznawstwa, Erozji i Ochrony Gruntów Instytut Uprawy, Nawożenia i Gleboznawstwa - Państwowy Instytut Badawczy w Puławach,

Bibliografia

• [1] Maliszewska-Kordybach B., Klimkowicz-Pawlas A., Smreczak B. and Janusauskaite D.: Ecotoxic effect uf phenanthrene on nitrifying bacteria in soils of different properties. J. Eiwiron. Qual. 2007, 36, 1635-1645.
• [2] Sverdrup L.E., Hagen S.B., Krogh P.H. and van Gestel C.A.M.: Benzo [a]pyrene shows Iow tozicity to three species of terrestrial plants, two soil invertebrates, and soil-nitrifying bacteria. Ecotox. Environ. Safety 2007, 66, 362-368.
• [3] Klimkowicz-Pawlas A.: Effect of polycyclic aromatic hydrocarbons on the soil habitat function. Monograph, 22, Institute of Soil Science and Plant Cultivation - State Research Institutc, Puławy 2009 (In Polish).
• [4] Winding A., Hund-Rinke K. and Rutgers M.: The use of microorganisms in ecological soil classification and assessment concepts. Ecotox. Eiwiron. Safety 2005, 62, 230—248.
• [5] Dawson J.J.C.. Godsiffe E.J., Thompson I.P.. Ralebitso-Senior T.K.. Killham K..S. and Paton G.I.: Application of biological indicators to assess recovery of hydrocarbon impacted soils. Soil Biol. Biochem. 2007, 39. 144-177.
• [6] Robetson G.P. and Groffman P.M.: \'itrogen Transformations. [in:] Soil microbiology, ecology and biochemistry. Paul E.A. (ed.), Academic Press, Elsevier 2007. 341-364.
• [7] Johnsen A.R. and Karlson U.: Diffuse PAH contaminalion of surface soils: nnvironmental occurrence, bioavailability. and microbial degradation. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2007, 76, 533—543.
• [8] Srogi K..: Monitoring of environmental exposnre to polycyclic aromatic hydrocarbons: A review. Environ. Chem. Len. 2007. S, 169-195.
• [9] Maliszewska-Kordybach B., Smreczak B. and Klimkowicz-Pawlas A.: Concenirations, sources. And spatial distribution of indMdual polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in agricultitral soils in the Eastern pan of EU: Poland as a case sludy. Sci. Total Environ. 2009, 407, 3746-3753.
• [10] Harmsen J.: Landfarming of polycyclic aromatic hydrocarbons and minerał oil contaminated sediments. Ph.D. Thesis. Wageningen University, Wageningen 2004.
• [11] Mackay D., Shiu W.Y. and Ma K.C.: lllustrated Handbook of Physical-chemical Properties and Environmental Fate for Organic Chemicals, vol. II. Lewis Publishers, Boca Raton-Ann Arbor--London-Tokyo 1992.
• [12] Sverdrup L.E., Ekelund F., Krogh P.H., Nilesen T. and Johnsen K..: Soil microbial toxicity of eight polycyclic aromatic compounds: effects on nitrification, the genelic diversity of bacteria and the total mimber of protozoans. Envtron. Toxicol. Chem. 2002, 21, 1644-1650.
• [13] Klimkowicz-Pawlas A. and Maliszewska-Kordybach B.: Effect of anthracene and pyrene on dehydrogenases activity in soils exposedand unexposed to PAHs. Water Air Soil Pollut. 2003, 145, 169-186.
• [14] Hamdi H., Benzarti S., Manusadżianas L., Aoyama I. and Jedidi N.: Solid-phase bioassays and soil microbial activities to evaluate PAH-spiked soil ecotoxicity after a long-term bioremediation process simtilating landfarming. Chemosphere 2007, 70, 135—140.
• [15] SmreczakB., Maliszewska-KordybachB. and Klimkowicz-Pawlas A.: Chemical method of evaluation of (bio)availability of phenanthrene to nitrifying bacteria. Enyiron. Geochem. Health 2008, 30, 183-186.
• [16] PN-R-04032: Soils and mineral soils materials. Soil sampling and determination of particle size distribution in mineral soil materiał, 1998 (In Polish).
• [17] ISO 14235: Soil quality - determination of organic carbon in soil by sulfochromic oxidation. International Standard. International Standardization Organization, 1998.
• [18] ISO 10390: Soil quality-determination of pH. International Standardization Organization, 2005.
• [19] Sabljic A., Gusten H., Yerhaar H. and Hermens J.: QSAR modelHng ofsoil sorption. lmpruvements and systematics of log correlations. Chemosphere 1995, 31. 4489—4514.
• [20] Dz.U. Nr 165, póz. 1359.: Regulation of the Minister of the Environment on the standards of the soil and ground quality, 2002 (In Polish).
• [21] VROM: Circular on Target Values and Intervention values for Soil Remediation. Ministry of Housing Spatial Planning and Environment, The Netherlands 2000.
• [22] Jensen J. and Folker-Hansen P.: Soil quality criteria for selected organic compounds. Danis K Environmental Protection Agency, 1995, Working Report No. 47.
• [23] Jones K.C., Alcock R.E.. Johnson D.L., Northcott G.L., Semple K.T. and Woolgar P.J.: Organic chemicals in contaminated land: analysis. significance and research priorities. Land Contamination and Reclamation 1996, 4, 189-197.
• [24] Trenck K.T., Rut J. and Flittner M.: Guide values for contaminated sites. Emiron. Sci. and Pollut. Res. 1994, l, 253-261.
• [25] ISO 15685: Soil quality — determination of potential nitrification and inhibition of nitrification — Rapid test by ammonium oxidation. International Standard. International Standardization Organization, 2004.
• [26] Smreczak B., Maliszewska-Kordybach B. and Klimkowicz-Pawlas A.: Application of different criteria for the assessment of arable soil pollution with PAHs. Zemes ukio mokslai 2008, 15, 55—58.
• [27] Organization for Economic Co-Operation and Development (OECD): Draft guidance document on the statistical analysis of ecotoxicity data. OECD, Paris 2003.
• [28] Barajas-Aceves M., Yera-Aguilar E. and Bernal M.P.: Carbon and nitrogen mineralization in soil amended with phenanthrene, anthracene and irradiated sewage sludge. Biores. Technol. 2002, 85, 217-223.
• [29] Contreras-Ramos S.M.. Alvarez-Bemal D. and Dcndooven L.: Dvnamics of nitrogen i n a PAHs contaminated snil amended with Mosolid ar vermicompost in the presunce ofearrhworms. Chemosphere 2007. 67, 2072-2081.
• [30] Ping G. and Tieheng S.: Side-effects of organic and imirganic polhitants on soi! nitrification and respiration. J. Eiwiron. Sci. 1996. 8, 66—76.
• [31] Remde A. and Hund K.: Response of soil autotrophic nitrification and soi! respiration to chemical pollution in long-term experiments. Chemosphere 1994, 29, 391-404.
• [32] Klimkowicz-Pawlas A. and Maliszewska-Kordybach B.: Soil organic matter content as a factor describing reaction of microorganisms to the soil contamination witli PAHs, [in:] Methods of me humic substances investigation in water and soil ecosystems, Szczecin 2004, 155-161 (In Polish).
• [33] De Boer W. and Kowalchuk G.A.: Nitrification in acidsoils: micro-organisms and mechanisms. Review. Soil Biol. Biochem. 2001, 33, 853-866.
• [34] Degens B.P., Schipper L.A.. Sparlmg G.P. and Duncan L.C.: Is the microbial communiry in a soil with reduced calabolic diversiry less resistant to stress or disturbance? Soil Biol. Biochem. 2001, 33, 1143-1153.
• [35] Sparks T.: Statistics in ecotoxicology. John Wiley & Sons, Ltd., New York-Weinheim-Brisbane--Singapore—Toronto 2000.