Elektrohemijska oksidacija policikličnih aromatičnih ugljovodonika iz betona i procena toksičnosti produkata njihove degradacije

Abstract

Policiklični aromatični ugljovodonici (engl. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) predstavljaju grupu organskih jedinjenja koja se sastoje od dva ili više kondenzovanih benzenovih prstenova. Istraživanja ukazuju da PAH-ovi imaju kancerogen i mutagen uticaj na ljude i druge žive organizme. Perzistentni su i bioakumulativni i kao takvi predstavljaju opasnost po životnu okolinu. Dodatni problem predstavljaju proizvodi degradacije policikličnih aromatičnih ugljovodonika, koji nastaju tokom prirodne transformacije ili fizičko-hemijskih tretmana za njihovo uklanjanje. Novoformirana jedinjenja često imaju izraženiji toksični uticaj na ljude i druge žive organizme u poređenju sa polaznim jedinjenjem. Zato se posebna pažnja posvećuje razvoju novih metoda za njihovo što bezbednije uklanjanje. Do sada su razvijene metode za analizu sledećih kontaminiranih medijuma: voda, zemljište, vazduh, sedimenti i dr. Kako je zagađenost PAH-ovima u životnoj sredini rasla, uglavnom usled antropogenih faktora, tako su se pojavili i na drugim mestima, poput betona u stambenim zgradama. Cilj istraživanja doktorske disertacije je razvijanje nove, efikasne, neinvazivne metode za uklanjanje PAH-ova iz betona, koja je zasnovana na elektrohemijskoj oksidaciji. Da bi se osigurala bezbednost metode za praktičnu primenu, posebna pažnja posvećena je proceni toksičnosti PAH-a i njihovih produkata razgradnje nastalih tokom procesa elektrooksidacije. Kao laboratorijski model sistem za elektrohemijsku degradaciju PAH-ova koristi se elektrolitička ćelija sa niklenim elektrodama. Praćenje koncentracije PAH-ova u betonu izvedeno je primenom novopostavljene i validirane metode na uređaju tečni hromatograf ultravisokih performansi sa fotodiodnim detektorom (UPLCPDA). Efikasnost uklanjanja za pojedine PAH-ove dostiže vrednost i preko 90 %. Za procenu toksičnosti elektrohemijskog tretmana određuje se citotoksični i genotoksični potencijal na limfocitima i eritrocitima periferne krvi čoveka. Testoviobuhvataju određivanje učestalosti mikronukleusa i proliferacioniog potencijala ćelija, ispitivanje antioksidativne zaštite enzima (katalaze) kao i uticaja na oksidativni stres (određivanjem sadržaja malondialdehida). Rezultati ispitivanja potvrđuju toksičnost početne smeše PAH-ova - pre elektrohmijske oksidacije - uzrokujući značajno povećanje niva DNK oštećenja, smanjujući potencijal ćelija za deobu i indukujući oksidativni stres što se ogleda kroz povećanje malondialdehida u procesu lipidne peroksidacije ćelijskih membrana i povećanju aktivnosti katalaze, enzima antioksidativne odbrane. Procesom elektrohemijske oksidacije PAH-ova nastaju produkti koji ispoljavaju različit stepen citotoksičnosti zavisno od vremena nastanka. Najtoksičniji efekti su utvrđeni u prvih 15 minuta što se manifestuje kroz povećanje učestalosti genomskih ozleda, suprimiranje proliferativnog potencijala i/ili indukciju oksidativnog stresa, kao i značajanu modifikaciju aktivnosti enzima antioksidativne zaštite. Nakon 60 minuta produkti oksidacije su manje citotoksični u odnosu na početno jedinjenje, ali i dalje su toksičniji u poređenju sa netretiranom kontrolom.

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are a group of organic compounds consisting of two or more fused benzene rings. Research indicates that PAHs have a carcinogenic and mutagenic effect on humans and other living organisms. They are persistent and bioaccumulative and, as such, pose a threat to the environment. Products that are formed upon natural degradation or physicochemical procedures for their removal represent a particular problem. Newly formed compounds often have a more pronounced toxic effect on humans and other living organisms compared to the initial compound. Consequently, the development of new methods for their safe removal has been the subject of extensive research. So far, methods for efficient PAH removal from the various media were developped, including: water, soil, air, sediments, etc. As the environmental pollution by PAHs is continuously increasing due to the various, mainly anthropogenic factors, they also have occurred in other places, such as concrete in residential buildings. The aim of the doctoral dissertation is to develop novel, efficient, noninvasive method for PAHs removal in concrete, based on electrochemical oxidation. In order to ensure safeness of the method for practical application, particular attention was paid to the estimation of the toxicity of PAHs and their degradation products generated during the electrooxidation process. Electrochemical cell consisting of two nickel electrodes was used for the laboratory model of PAH oxidation in concrete. Concentration of PAHs in concrete was monitored with the novel, particularly developed and validated method, based on ultra performance liquid chromatography (UPLC) with photo-diode array (PDA) detector. The removal efficiency for individual PAHs exceeds 90 %. Estimation of the toxicity of electrochemically treated samples was performed by determination of the cytotoxic and genotoxic potential of human peripheral blood lymphocytes and erythrocytes. The tests included determination the micronucleusfrequency and the proliferative potential of cells, determining the antioxidant protection of enzyme catalase, as well as the impact on oxidative stress (by determining the content of malondialdehyde). The results of the study confirm the toxicity of initial PAHs showing that - before electrochemical oxidation - they significantly increase the level of DNA damage, reduce the potential of cells to divide and induce oxidative stress, which is reflected by the increase of malondialdehyde in the process of lipid peroxidation of cell membranes and the increase of the activity of catalase, an antioxidant defense enzyme. Products which are formed during electrochemical oxidation of PAHs exhibit different degrees of cytotoxicity depending on the time of their formation. The most toxic effects were determined in the first 15 minutes, which is manifested by an increased incidence of genomic lesions, suppression of proliferative potential and/or induction of oxidative stress, as well as substantial modification of the antioxidant enzyme activity. After 60 minutes, the oxidation products are less cytotoxic than the parent compound, but still more toxic compared to the untreated control.