Kennisbank Chroom 6

In bodem en grondwater is chroom-6 mobiel en blijft het lang aanwezig, en het remt het bodemleven. Micro-organismen kunnen Cr(VI) omzetten naar het veel minder giftige en slecht oplosbare Cr(III), met zuurstof via enzymen en zonder zuurstof via hun ademhaling. Sanering ter plaatse is daardoor een kansrijk alternatief voor dure technieken, maar wordt nog niet op grote schaal toegepast.

Deze pagina gaat over chroom-6 in het milieu en over de biologische omzetting ervan. Wat chroom-6 precies is, welke gezondheidsrisico’s en wettelijke eisen er voor werkgevers gelden en hoe je het laat testen lees je op Wat is chroom-6? De inhoud is gebaseerd op het overzichtsartikel van Cheung en Gu uit 2007. Dat beschrijft de werkingsmechanismen en de toepassingsmogelijkheden zoals die toen bekend waren, en is geen actueel overzicht van het huidige onderzoek.

1. Waarom is de omzetting van Cr(VI) naar Cr(III) de sleutel? #

In het milieu draait alles om de oplosbaarheid. Cr(VI) lost goed op en is daardoor mobiel en biologisch beschikbaar. Cr(III) bindt juist aan organisch materiaal en slaat neer als amorf hydroxide, waardoor het nauwelijks door het celmembraan dringt en ongeveer duizend keer minder toxisch is. Wie Cr(VI) omzet naar Cr(III), maakt het dus niet alleen minder giftig maar ook veel minder mobiel. Die omzetting is niet altijd blijvend, want onder de juiste omstandigheden kan Cr(III) weer oxideren, zoals we uitleggen in oxidatie van Cr(III) naar Cr(VI) toegelicht.

2. Hoe gedraagt chroom-6 zich in bodem en grondwater? #

Sinds de industriële revolutie komt er steeds meer chroom in het milieu terecht, onder meer via verchromen, roestvast staal, leerlooierijen en de productie van kleurstoffen en pigmenten. Eenmaal in de bodem verspreidt Cr(VI) zich makkelijk via water, en in natuurlijke watervoerende lagen is het de dominante vorm van chroom. Het blijft lang aanwezig en biologisch beschikbaar. Vrijwel alle toezichthouders merken Cr(VI) daarom aan als prioritaire toxische stof.

3. Wat doet chroom-6 met het bodemleven? #

Cr(VI) verandert de samenstelling van microbiële gemeenschappen in de bodem en remt hun groei en activiteit. De reden zit in de celchemie. Cr(VI) komt cellen binnen via sulfaattransportkanalen en wordt in de cel stapsgewijs gereduceerd tot Cr(V) en Cr(IV), onder meer met ascorbaat en glutathion. Daarbij ontstaan reactieve zuurstofsoorten, ook wel ROS genoemd, die DNA en eiwitten beschadigen.

Reductie is dus tweeslachtig. Gebeurt ze in de cel, dan richt ze schade aan. Gebeurt ze buiten de cel, of via een efficiënt enzym of een ademhalingsketen, dan is ze juist ontgiftend. Precies dat verschil bepaalt welke micro-organismen en enzymen interessant zijn voor sanering. De gezondheidseffecten bij mensen behandelen we op Wat is chroom-6?

4. Hoe zetten micro-organismen chroom-6 om in chroom-3? #

Klassieke technieken zoals reductie-precipitatie, ionenwisseling en omgekeerde osmose zijn op grote schaal vaak te duur. Micro-organismen kunnen de omzetting zelf uitvoeren, langs twee routes.

4.1 Met zuurstof: de enzymen ChrR en YieF #

Met zuurstof verloopt de reductie meestal via oplosbare enzymen, de Cr(VI)-reductasen, met NADH of NADPH als elektronendonor. De twee best onderzochte zijn ChrR en YieF. ChrR reduceert stapsgewijs: eerst neemt Cr(VI) één elektron op en ontstaat tijdelijk Cr(V), daarna volgen twee elektronen tot Cr(III). Een deel van dat Cr(V) oxideert weer terug, waarbij schadelijke radicalen vrijkomen. YieF zet Cr(VI) in één stap direct om in Cr(III) via een overdracht van vier elektronen, waarvan drie naar chroom gaan en één naar zuurstof. Daarbij ontstaan nauwelijks radicalen, waardoor YieF als effectiever geldt. Het temperatuuroptimum van ChrR ligt bij 70 °C en dat van YieF bij 35 °C. Daarnaast is ook een membraangebonden reductase geïsoleerd, al is de kinetiek daarvan nog niet beschreven.

4.2 Zonder zuurstof: Cr(VI) als eindpunt van de ademhalingsketen #

Zonder zuurstof kunnen bacteriën Cr(VI) gebruiken als laatste elektronenacceptor in hun ademhalingsketen, vaak met betrokkenheid van cytochroom b en c. Als elektronendonor kunnen koolhydraten, eiwitten, vetten, waterstof of NAD(P)H dienen. Omdat dit vermogen veel voorkomt, is sanering ter plaatse mogelijk, bijvoorbeeld in verontreinigde sedimenten: door nutriënten toe te voegen en de omstandigheden bij te sturen, kan de aanwezige microbiële activiteit worden benut.

5. Waarom wordt biologische chroomreductie nog niet op grote schaal toegepast? #

Er zijn drie hobbels. Levende cellen zijn kwetsbaar, want hun activiteit neemt af in een vervuilde omgeving, en immobilisatie helpt maar remt bij dikkere lagen het massatransport. Gezuiverde enzymen zijn niet gevoelig voor toxische stoffen, maar ze zijn duur en kunnen denatureren bij extreme pH of temperatuur. Genetisch gemodificeerde organismen zijn veel actiever, maar het vrijlaten ervan in het milieu roept ethische vragen op en universeel geaccepteerde richtlijnen ontbreken nog.

Toch is de potentie groot. Er worden steeds meer reductasen ontdekt, onder andere met 2-DE proteomics, zodat de meest actieve kunnen worden geselecteerd. Genetische en eiwitengineering kunnen hun efficiëntie verder verhogen, en betere immobilisatie maakt directe toepassing van enzymen ter plaatse een realistische saneringsmethode.

6. Wat betekent dit voor jouw situatie? #

De biologische routes op deze pagina gaan over water, bodem en sediment. Werk je aan verf of isolatie met mogelijk chroom-6, dan heb je daar niets aan: dan gelden de maatregelen en grenswaarden voor de werkplek en moet eerst worden vastgesteld of chroom-6 aanwezig is. Dat doen we met onderzoek op locatie en in ons laboratorium.

Wel is dezelfde omzetting van Cr(VI) naar Cr(III) ook bij het meten van belang. In het milieu is ze het doel, in een analyse juist een bron van fouten, omdat metalen als zink en aluminium Cr(VI) tijdens de meting kunnen reduceren en de gemeten waarde daardoor te laag uitvalt. Hoe dat werkt lees je in reductie van Cr(VI) naar Cr(III) toegelicht en waarom Cr(VI)-analyse in droge verf andere analyse vereist, en hoe onze methode daarmee omgaat in wat maakt de SEEF methode zo bijzonder? Heb je een concrete situatie? Neem contact met ons op.

7. Veelgestelde vragen over chroom-6 en biologische reductie #

1. Hoe verspreidt chroom-6 zich in bodem en grondwater? #

Cr(VI) lost goed op en verspreidt zich daardoor makkelijk via water en bodem. In natuurlijke watervoerende lagen is het de dominante vorm van chroom. Het blijft lang aanwezig en biologisch beschikbaar.

2. Wat doet chroom-6 met het bodemleven? #

Cr(VI) verandert de samenstelling van microbiële gemeenschappen in de bodem en remt hun groei en activiteit.

3. Kunnen micro-organismen chroom-6 omzetten naar chroom-3? #

Ja, diverse micro-organismen kunnen Cr(VI) reduceren tot Cr(III), met zuurstof via enzymen en zonder zuurstof via hun ademhaling. Cr(III) bindt aan organisch materiaal en slaat neer, waardoor het veel minder mobiel en ongeveer duizend keer minder toxisch is.

4. Wat is het verschil tussen de enzymen ChrR en YieF? #

ChrR reduceert stapsgewijs, waarbij tijdelijk Cr(V) ontstaat en schadelijke radicalen kunnen vrijkomen. YieF zet Cr(VI) in één stap om in Cr(III) met minimale radicaalvorming en geldt daarom als effectiever. Het optimum ligt bij ChrR op 70 °C en bij YieF op 35 °C.

5. Kan chroom-6 ook zonder zuurstof worden omgezet? #

Ja. Zonder zuurstof kunnen bacteriën Cr(VI) gebruiken als laatste elektronenacceptor in hun ademhalingsketen. Omdat dit vermogen veel voorkomt, is sanering ter plaatse mogelijk door nutriënten toe te voegen en de omstandigheden bij te sturen.

6. Waarom wordt biologische chroomreductie nog niet op grote schaal toegepast? #

Levende cellen zijn kwetsbaar in een vervuilde omgeving, gezuiverde enzymen zijn duur en kunnen denatureren bij extreme pH of temperatuur, en genetisch gemodificeerde organismen roepen ethische vragen op omdat universele richtlijnen voor het vrijlaten ontbreken.

7. Is biologische reductie ook geschikt voor chroom-6 in verf of isolatie? #

De biologische routes op deze pagina gaan over water, bodem en sediment. Voor chroom-6 in verf en isolatie gelden de maatregelen en grenswaarden voor de werkplek, en is een betrouwbare analyse nodig om vast te stellen of het aanwezig is.

8. Hoe actueel is de informatie op deze pagina? #

De pagina is gebaseerd op het overzichtsartikel van Cheung en Gu uit 2007. Dat beschrijft de mechanismen van biologische chroomreductie en de toepassingsmogelijkheden zoals die destijds bekend waren, maar is geen actueel overzicht van het huidige onderzoek.

Bron: Cheung, K.H. & Gu, J.-D. (2007). Mechanism of hexavalent chromium detoxification by microorganisms and bioremediation application potential: A review. International Biodeterioration & Biodegradation 59, 8 tot 15. doi:10.1016/j.ibiod.2006.05.002