BIOREMEDIACJA: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, ZALETY I WADY - BIOLOGIA - 2025

Bioremediacja jest zestaw biotechnologii kanalizacji za pomocą możliwości metaboliczne mikroorganizmów bakteryjnych, grzybów, rośliny i / lub ich izolowanych enzymów, do usuwania zanieczyszczeń w glebie i wodzie.

Mikroorganizmy (bakterie i grzyby) oraz niektóre rośliny mogą biotransformować szeroką gamę zanieczyszczających i toksycznych związków organicznych, dopóki nie staną się nieszkodliwe lub nieszkodliwe. Mogą nawet rozkładać niektóre związki organiczne do ich najprostszych form, takich jak metan (CH ₄ ) i dwutlenek węgla (CO ₂ ).

Rysunek 1. Zanieczyszczenie środowiska przez wyciek ropy, później poddane bioremediacji Źródło: commons.wikimedia.org

Niektóre mikroorganizmy i rośliny mogą również wyodrębniać lub unieruchamiać toksyczne pierwiastki chemiczne, takie jak metale ciężkie, w środowisku (in situ). Unieruchamiając toksyczną substancję w środowisku, nie jest ona już dostępna dla organizmów żywych i dlatego nie ma na nie wpływu.

Dlatego zmniejszenie biodostępności substancji toksycznej jest również formą bioremediacji, chociaż nie oznacza usunięcia substancji ze środowiska.

Obecnie rośnie zainteresowanie naukowe i komercyjne opracowywaniem ekonomicznych i mało szkodliwych dla środowiska (lub „przyjaznych dla środowiska”) technologii, takich jak bioremediacja wód powierzchniowych i gruntowych, osadów ściekowych i zanieczyszczonych gleb.

Charakterystyka bioremediacji

Zanieczyszczenia, które można poddać bioremediacji

Wśród zanieczyszczeń, które uległy bioremediacji, są m.in. metale ciężkie, substancje radioaktywne, toksyczne zanieczyszczenia organiczne, substancje wybuchowe, związki organiczne pochodzące z ropy naftowej (węglowodory poliaromatyczne lub HPA), fenole.

Warunki fizykochemiczne podczas bioremediacji

Ponieważ procesy bioremediacji zależą od aktywności mikroorganizmów i żywych roślin lub ich izolowanych enzymów, dla każdego organizmu lub układu enzymatycznego muszą być utrzymane odpowiednie warunki fizykochemiczne w celu optymalizacji ich aktywności metabolicznej w procesie bioremediacji.

Czynniki, które należy zoptymalizować i utrzymać w trakcie procesu bioremediacji

-Stężenie i biodostępność zanieczyszczenia w warunkach środowiskowych: ponieważ jeśli jest zbyt wysokie, może być szkodliwe dla tych samych mikroorganizmów, które mają zdolność ich biotransformacji.

-Wilgotność: dostępność wody jest niezbędna dla organizmów żywych, a także dla aktywności enzymatycznej bezkomórkowych katalizatorów biologicznych. Generalnie w glebach poddawanych bioremediacji należy utrzymywać wilgotność względną od 12 do 25%.

-Temperatura: musi mieścić się w zakresie umożliwiającym przeżycie zastosowanych organizmów i / lub wymaganą aktywność enzymatyczną.

- Biodostępne składniki odżywcze: niezbędne do wzrostu i namnażania się mikroorganizmów, które nas interesują. Przede wszystkim należy kontrolować węgiel, fosfor i azot, a także niektóre niezbędne minerały.

-Kwasowość lub zasadowość środowiska wodnego lub pH (pomiar jonów H ⁺ w medium).

-Dostępność tlenu: w większości technik bioremediacji wykorzystuje się mikroorganizmy tlenowe (na przykład w kompostowaniu, biopali i „składowaniu odpadów”) i konieczne jest napowietrzanie podłoża. Jednak mikroorganizmy beztlenowe mogą być wykorzystywane w procesach bioremediacji, w bardzo kontrolowanych warunkach laboratoryjnych (z wykorzystaniem bioreaktorów).

Rodzaje bioremediacji

Wśród stosowanych biotechnologii bioremediacyjnych są:

Biostymulacja

Biostymulacja polega na stymulacji in situ mikroorganizmów już obecnych w zanieczyszczonym środowisku (mikroorganizmy autochtoniczne), zdolnych do bioremediacji substancji zanieczyszczającej.

Biostymulację in situ osiąga się poprzez optymalizację warunków fizykochemicznych niezbędnych do zajścia pożądanego procesu, to znaczy; pH, tlen, wilgotność, między innymi temperatura i dodawanie niezbędnych składników odżywczych.

Bioaugmentacja

Bioaugmentacja polega na zwiększeniu ilości interesujących nas mikroorganizmów (najlepiej autochtonicznych), dzięki dodaniu ich inokulum wyhodowanego w laboratorium.

Następnie, gdy mikroorganizmy będące przedmiotem zainteresowania zostaną zaszczepione in situ, warunki fizykochemiczne muszą zostać zoptymalizowane (na przykład w biostymulacji), aby promować degradującą aktywność mikroorganizmów.

W przypadku zastosowania bioaugmentacji należy wziąć pod uwagę koszty hodowli drobnoustrojów w bioreaktorach laboratoryjnych.

Zarówno biostymulację, jak i bioaugmentację można łączyć ze wszystkimi innymi biotechnologiami opisanymi poniżej.

Kompostowanie

Kompostowanie polega na zmieszaniu skażonego materiału z nieskażoną glebą uzupełnioną substancjami hodowlanymi i odżywczymi roślin lub zwierząt. Ta mieszanina tworzy stożki o wysokości do 3 m, oddalone od siebie.

Należy kontrolować natlenienie dolnych warstw szyszek poprzez ich regularne usuwanie z jednego miejsca w drugie za pomocą maszyn. Należy również zachować optymalne warunki między innymi wilgotności, temperatury, pH, składników odżywczych.

Biopile

Technika bioremediacji z użyciem biopali jest taka sama, jak technika kompostowania opisana powyżej, z wyjątkiem:

• Brak czynników hodowlanych pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego.
• Eliminacja napowietrzania poprzez przemieszczanie się z jednego miejsca do drugiego.

Biopale pozostają unieruchomione w tym samym miejscu, napowietrzane w swoich warstwach wewnętrznych za pomocą systemu rur, których koszty montażu, eksploatacji i konserwacji należy uwzględnić już na etapie projektowania systemu.

Gruntów rolnych

Biotechnologia zwana „landfarming” (w tłumaczeniu z angielskiego: uprawa ziemi) polega na zmieszaniu skażonego materiału (mułu lub osadu) z pierwszymi 30 cm niezanieczyszczonej gleby o dużej powierzchni.

Na tych pierwszych centymetrach gleby rozkładowi substancji zanieczyszczających sprzyja jej napowietrzanie i mieszanie. Do tych zadań wykorzystuje się maszyny rolnicze, takie jak traktory pługowe.

Główną wadą upraw na ziemi jest to, że z konieczności wymaga dużych połaci ziemi, które można by wykorzystać do produkcji żywności.

Fitoremediacja

Fitoremediacja, zwana także mikroorganizmami i bioremediacją wspomaganą roślinami, to zestaw biotechnologii opartych na wykorzystaniu roślin i mikroorganizmów do usuwania, ograniczania lub zmniejszania toksyczności substancji zanieczyszczających w wodach powierzchniowych lub podziemnych, szlamach i glebach.

Podczas fitoremediacji może nastąpić degradacja, ekstrakcja i / lub stabilizacja (zmniejszenie biodostępności) zanieczyszczenia. Procesy te zależą od interakcji między roślinami i mikroorganizmami, które żyją bardzo blisko swoich korzeni, na obszarze zwanym ryzosferą.

Rysunek 2. Bioremediacja wody zanieczyszczonej roślinami i mikroorganizmami. Źródło: Wikyhelper, z Wikimedia Commons

Fitoremediacja okazała się szczególnie skuteczna w usuwaniu metali ciężkich i substancji radioaktywnych z gleb i wód powierzchniowych lub gruntowych (lub rizofiltracji skażonej wody).

W tym przypadku rośliny gromadzą metale ze środowiska w swoich tkankach, a następnie są zbierane i spalane w kontrolowanych warunkach, dzięki czemu zanieczyszczenie z rozproszenia w środowisku zostaje zagęszczone w postaci popiołów.

Uzyskane popioły można poddać obróbce w celu odzyskania metalu (jeśli ma to znaczenie gospodarcze) lub można je porzucić w miejscach ostatecznego unieszkodliwiania odpadów.

Wadą fitoremediacji jest brak dogłębnej wiedzy na temat interakcji zachodzących między zaangażowanymi organizmami (roślinami, bakteriami i prawdopodobnie grzybami mikoryzowymi).

Z drugiej strony należy zachować warunki środowiskowe odpowiadające potrzebom wszystkich zastosowanych organizmów.

Bioreaktory

Bioreaktory to pojemniki o znacznych rozmiarach, które pozwalają na utrzymanie bardzo kontrolowanych warunków fizykochemicznych w wodnych pożywkach hodowlanych, sprzyjając interesującemu procesowi biologicznemu.

Mikroorganizmy bakteryjne i grzyby można hodować na dużą skalę w laboratorium w bioreaktorach, a następnie stosować w procesach bioaugmentacji in situ. Mikroorganizmy można także hodować w celu uzyskania ich enzymów rozkładających zanieczyszczenia.

Bioreaktory są wykorzystywane w procesach bioremediacji ex situ, poprzez zmieszanie zanieczyszczonego podłoża z pożywką do hodowli drobnoustrojów, sprzyjając degradacji zanieczyszczenia.

Mikroorganizmy hodowane w bioreaktorach mogą nawet być beztlenowe, w takim przypadku wodna pożywka hodowlana musi być pozbawiona rozpuszczonego tlenu.

Rysunek 3. Bioreaktor. Źródło: es.m.wikipedia.org

Spośród biotechnologii bioremediacyjnych stosowanie bioreaktorów jest stosunkowo drogie ze względu na konserwację sprzętu i wymagania dotyczące hodowli drobnoustrojów.

Mikroremediacja

Wykorzystanie mikroorganizmów grzybowych (mikroskopijnych grzybów) w procesach bioremediacji toksycznego zanieczyszczenia nazywa się mykorremediacją.

Należy wziąć pod uwagę, że hodowla mikroskopijnych grzybów jest zwykle bardziej złożona niż hodowla bakterii, a zatem wiąże się z wyższymi kosztami. Ponadto grzyby rosną i rozmnażają się wolniej niż bakterie, przy czym bioremediacja wspomagana przez grzyby jest procesem wolniejszym.

Bioremediacja a konwencjonalne technologie fizyczne i chemiczne

-Korzyść

Biotechnologie bioremediacyjne są znacznie bardziej ekonomiczne i przyjazne dla środowiska niż konwencjonalnie stosowane chemiczne i fizyczne technologie sanitacji środowiska.

Oznacza to, że zastosowanie bioremediacji ma mniejszy wpływ na środowisko niż konwencjonalne praktyki fizykochemiczne.

Z drugiej strony, wśród mikroorganizmów stosowanych w procesach bioremediacji, niektóre potrafią nawet mineralizować zanieczyszczające związki, zapewniając ich zniknięcie ze środowiska, co jest trudne do osiągnięcia w jednym kroku przy użyciu konwencjonalnych procesów fizykochemicznych.

-Wady i aspekty do rozważenia

Możliwości metaboliczne drobnoustrojów występujące w przyrodzie

Biorąc pod uwagę, że tylko 1% mikroorganizmów występujących w przyrodzie zostało wyizolowanych, ograniczeniem bioremediacji jest właśnie identyfikacja mikroorganizmów zdolnych do biodegradacji określonej substancji zanieczyszczającej.

Brak wiedzy o zastosowanym systemie

Z drugiej strony bioremediacja działa w przypadku złożonego systemu dwóch lub więcej żywych organizmów, który na ogół nie jest w pełni zrozumiały.

Niektóre badane mikroorganizmy mają biotransformowane związki zanieczyszczające w jeszcze bardziej toksyczne produkty uboczne. Z tego powodu konieczne jest wcześniejsze zbadanie organizmów bioremediacyjnych i ich interakcji dogłębnie w laboratorium.

Ponadto należy przeprowadzić testy pilotażowe na małą skalę (w terenie) przed ich masowym zastosowaniem, a na koniec procesy bioremediacji muszą być monitorowane na miejscu, aby zapewnić prawidłową higienę środowiska.

Ekstrapolacja wyników uzyskanych w laboratorium

Ze względu na dużą złożoność systemów biologicznych, wyniki uzyskane w laboratorium na małą skalę nie zawsze mogą być ekstrapolowane na procesy polowe.

Specyfika każdego procesu bioremediacji

Każdy proces bioremediacji obejmuje określony projekt eksperymentalny, zgodnie z określonymi warunkami skażonego terenu, rodzajem zanieczyszczeń, które mają być poddane obróbce oraz organizmami, które mają być zastosowane.

Konieczne jest więc, aby tymi procesami kierowały interdyscyplinarne grupy specjalistów, wśród których muszą być m.in. biolodzy, chemicy, inżynierowie.

Utrzymanie środowiskowych warunków fizykochemicznych sprzyjających wzrostowi i aktywności metabolicznej będącej przedmiotem zainteresowania oznacza ciągłą pracę podczas procesu bioremediacji.

Wymagany czas

Wreszcie procesy bioremediacji mogą trwać dłużej niż konwencjonalne procesy fizykochemiczne.

Bibliografia

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediacja gleb zanieczyszczonych przepracowanym olejem z wykorzystaniem ściółki drobiowej. Research Journal in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). „Bioremediacja, biostymulacja i bioaugmentacja: przegląd”. Internation Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). „Czynniki ograniczające technologie bioremediacyjne”. Technologia Biozasobów. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY and Schoeder, D. (1999). Zasady bioodkrywania. McGraw-Hill Interamericana of Spain, Madryt. pp 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA and Brock, T. (2015). Biologia mikroorganizmów Brocka. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
6. McKinney, RE (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczeń środowiska. M. Dekker. pp 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fitoremediacja. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15–39.