Bioremediacja: cechy, rodzaje, zalety i wady

Bioremediacja jest zbiorem środowiskowych biotechnologii sanitarnych, które wykorzystują zdolności metaboliczne mikroorganizmów bakteryjnych, grzybów, roślin i / lub ich izolowanych enzymów w celu wyeliminowania zanieczyszczeń w glebie i wodzie.

Mikroorganizmy (bakterie i grzyby) i niektóre rośliny mogą biotransformować wiele toksycznych i zanieczyszczających związków organicznych, czyniąc je nieszkodliwymi lub nieszkodliwymi. Mogą nawet ulegać biodegradacji niektórych związków organicznych do ich najprostszych form, takich jak metan (CH 4 ) i dwutlenek węgla (CO 2 ).

Również niektóre mikroorganizmy i rośliny mogą wyodrębniać lub unieruchamiać w środowisku toksyczne pierwiastki chemiczne, takie jak metale ciężkie. Unieruchamiając toksyczną substancję w środowisku, nie jest ona już dostępna dla żywych organizmów i dlatego nie wpływa na nie.

Dlatego spadek biodostępności substancji toksycznej jest również formą bioremediacji, chociaż nie oznacza to eliminacji substancji z podłoża.

Obecnie rośnie zainteresowanie naukowe i handlowe rozwojem technologii ekonomicznych o niskim wpływie na środowisko (lub „przyjaznych dla środowiska”), takich jak bioremediacja wód powierzchniowych, wód gruntowych, szlamu i skażonej gleby.

Charakterystyka bioremediacji

Zanieczyszczenia, które można poddać bioremediacji

Wśród zanieczyszczeń, które zostały bioremediowane, znajdują się metale ciężkie, substancje radioaktywne, toksyczne zanieczyszczenia organiczne, substancje wybuchowe, związki organiczne pochodzące z ropy naftowej (węglowodory poliaromatyczne lub HPA), fenole, między innymi.

Warunki fizykochemiczne podczas bioremediacji

Ponieważ procesy bioremediacji zależą od aktywności mikroorganizmów i żywych roślin lub ich izolowanych enzymów, należy utrzymać odpowiednie warunki fizykochemiczne dla każdego organizmu lub układu enzymatycznego, aby zoptymalizować ich aktywność metaboliczną w procesie bioremediacji.

Czynniki, które muszą być zoptymalizowane i utrzymywane w trakcie procesu bioremediacji

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

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

-Temperatura: musi mieścić się w przedziale umożliwiającym przetrwanie zastosowanych organizmów i / lub wymaganej aktywności enzymatycznej.

- Biodostępne składniki odżywcze: niezbędne dla wzrostu i namnażania mikroorganizmów będących przedmiotem zainteresowania. Należy kontrolować głównie węgiel, fosfor i azot, a także niektóre niezbędne minerały.

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

- Dostępność tlenu: w większości technik bioremediacji stosowane są mikroorganizmy tlenowe (na przykład w kompostowaniu, biopaliwach i rolnictwie ), a napowietrzanie podłoża jest konieczne. Jednakże mikroorganizmy beztlenowe mogą być stosowane w procesach bioremediacji w wysoce kontrolowanych warunkach laboratoryjnych (przy użyciu bioreaktorów).

Rodzaje bioremediacji

Wśród stosowanych bioremediacji biotechnologie są następujące:

Biostymulacja

Biostymulacja polega na stymulacji in situ tych mikroorganizmów już obecnych w pożywce, która była zanieczyszczona (mikroorganizmy autochtoniczne), zdolnej do bioremediacji substancji zanieczyszczającej.

Biostymulację in situ osiąga się przez optymalizację warunków fizykochemicznych dla pożądanego procesu, tj.; pH, tlen, wilgotność, temperatura, między innymi, i dodanie niezbędnych składników odżywczych.

Bioaugmentacja

Bioaugmentacja implikuje wzrost ilości mikroorganizmów będących przedmiotem zainteresowania (najlepiej autochtonicznych), dzięki dodaniu ich inokulum hodowanych w laboratorium.

Następnie, po zaszczepieniu interesujących mikroorganizmów in situ, warunki fizykochemiczne muszą zostać zoptymalizowane (np. W biostymulacji), aby promować degradującą aktywność mikroorganizmów.

W celu zastosowania bioaugmentacji należy rozważyć koszty hodowli drobnoustrojów w bioreaktorach w laboratorium.

Zarówno biostymulacja, jak i bioaugmentacja mogą być łączone ze wszystkimi innymi biotechnologiami opisanymi poniżej.

Kompostowanie

Kompostowanie polega na zmieszaniu zanieczyszczonego materiału z niezanieczyszczoną glebą uzupełnioną środkami poprawiającymi roślinność lub zwierzęta i składnikami odżywczymi. Ta mieszanka tworzy stożki o wysokości do 3 m, oddzielone od siebie.

Natlenienie dolnych warstw szyszek powinno być kontrolowane poprzez regularne usuwanie z jednego miejsca do drugiego za pomocą maszyn. Należy również zachować optymalne warunki wilgotności, temperatury, pH, składników odżywczych.

Biopile

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

  • Brak środków polepszających pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego.
  • Eliminacja napowietrzania poprzez ruch z jednego miejsca do drugiego.

Biopile pozostają unieruchomione w tym samym miejscu, napowietrzane w swoich warstwach wewnętrznych przez system rur, których koszty instalacji, działania i konserwacji muszą być brane pod uwagę w fazie projektowania systemu.

Zagospodarowanie terenu

Biotechnologia zwana „uprawą ziemi” (przetłumaczona z angielskiego: rzeźbiona ziemia) polega na wymieszaniu skażonego materiału (błota lub osadu) z pierwszymi 30 cm niezanieczyszczonej gleby rozległej ziemi.

W tych pierwszych centymetrach gleby degradacja substancji zanieczyszczających jest faworyzowana dzięki jej napowietrzaniu i mieszaniu. Do tej pracy używane są maszyny rolnicze, takie jak ciągniki pługowe.

Główną wadą uprawy ziemi jest to, że koniecznie wymaga ona dużych połaci ziemi, które mogłyby zostać wykorzystane do produkcji żywności.

Fitoremediacja

Fitoremediacja, zwana również bioremediacją wspomaganą przez mikroorganizmy i rośliny, jest zbiorem biotechnologii opartych na wykorzystaniu roślin i mikroorganizmów do usuwania, ograniczania lub zmniejszania toksyczności substancji zanieczyszczających w wodzie powierzchniowej lub podziemnej, błocie i glebie.

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

Fitoremediacja była szczególnie skuteczna w usuwaniu metali ciężkich i substancji radioaktywnych z gleby i wód powierzchniowych lub gruntowych (lub ryzofiltracji zanieczyszczonej wody).

W tym przypadku rośliny gromadzą metale środowiska w swoich tkankach, a następnie są zbierane i spalane w kontrolowanych warunkach, tak aby zanieczyszczenie przechodziło z rozproszenia w środowisku do koncentracji w postaci popiołów.

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

Wadą fitoremediacji jest brak dogłębnej wiedzy na temat interakcji zachodzących między zaangażowanymi organizmami (rośliny, bakterie i ewentualnie grzyby mikoryzowe).

Z drugiej strony należy utrzymać warunki środowiskowe, które spełniają potrzeby wszystkich zastosowanych agencji.

Bioreaktory

Bioreaktory są pojemnikami o znacznych rozmiarach, które pozwalają na utrzymanie bardzo kontrolowanych warunków fizykochemicznych w wodnych pożywkach hodowlanych, w celu sprzyjania interesującemu procesowi biologicznemu.

W bioreaktorach mikroorganizmy bakteryjne i grzyby mogą być hodowane na dużą skalę w laboratorium, a następnie stosowane w procesach bioaugmentacji in situ. Mikroorganizmy można również hodować w celu uzyskania ich enzymów rozkładających substancje zanieczyszczające.

Bioreaktory stosuje się w procesach bioremediacji ex situ, gdy zanieczyszczony substrat miesza się z mikrobiologiczną pożywką hodowlaną, sprzyjając degradacji zanieczyszczenia.

Mikroorganizmy hodowane w bioreaktorach mogą nawet być beztlenowe, w którym to przypadku pożywka wodna nie może zawierać rozpuszczonego tlenu.

Wśród biotechnologii bioremediacji zastosowanie bioreaktorów jest stosunkowo drogie ze względu na utrzymanie sprzętu i wymagania dotyczące kultury mikrobiologicznej.

Micorremediation

Micorremediation odnosi się do użycia mikroorganizmów grzybowych (mikroskopijnych grzybów) w procesach bioremediacji toksycznej substancji zanieczyszczającej.

Należy wziąć pod uwagę, że uprawa mikroskopijnych grzybów jest zwykle bardziej złożona niż bakterii, a zatem pociąga za sobą wyższe koszty. Ponadto grzyby rosną i rozmnażają się wolniej niż bakterie, a bioremediacja wspomagana grzybami jest procesem wolniejszym.

Bioremediacja a konwencjonalne technologie fizyczne i chemiczne

- Zalety

Biotechnologie bioremediacyjne są o wiele bardziej ekonomiczne i przyjazne dla środowiska niż konwencjonalne chemiczne i fizyczne technologie sanitarne.

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

Z drugiej strony, wśród mikroorganizmów stosowanych w procesach bioremediacji, niektóre mogą dalej mineralizować zanieczyszczające związki, zapewniając ich zniknięcie ze środowiska, co jest trudne do osiągnięcia w jednym kroku za pomocą konwencjonalnych procesów fizykochemicznych.

-Wady i aspekty do rozważenia

Mikrobiologiczne zdolności metaboliczne istniejące w przyrodzie

Ponieważ wyizolowano tylko 1% mikroorganizmów występujących w przyrodzie, ograniczeniem bioremediacji jest właśnie identyfikacja mikroorganizmów zdolnych do biodegradacji określonej substancji zanieczyszczającej.

Nieznajomość zastosowanego systemu

Z drugiej strony bioremediacja działa na złożonym układzie dwóch lub więcej organizmów żywych, co zasadniczo nie jest do końca znane.

Niektóre badane mikroorganizmy biotransformowały zanieczyszczające związki w jeszcze bardziej toksyczne produkty uboczne. Z tego powodu konieczne jest uprzednie zbadanie w laboratorium organizmów bioremediacyjnych i ich dogłębnych interakcji.

Ponadto należy przeprowadzić testy pilotażowe na małą skalę (w terenie) przed zastosowaniem masy, a na koniec należy monitorować procesy bioremediacji in situ w celu zapewnienia prawidłowej sanityzacji środowiskowej.

Ekstrapolacja wyników uzyskanych w laboratorium

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

Szczegóły każdego procesu bioremediacji

Każdy proces bioremediacji obejmuje specyficzny projekt eksperymentalny, zgodnie ze szczególnymi warunkami zanieczyszczonego miejsca, rodzajem zanieczyszczenia, które ma być poddane obróbce i organizmami, które mają być zastosowane.

Konieczne jest zatem, aby procesy te były kierowane przez interdyscyplinarne grupy specjalistów, wśród których muszą być między innymi biolodzy, chemicy, inżynierowie.

Utrzymanie środowiskowych warunków fizykochemicznych sprzyjających wzrostowi i aktywności metabolicznej, pociąga za sobą stałe zadanie podczas procesu bioremediacji.

Potrzebny czas

Wreszcie procesy bioremediacji mogą trwać dłużej niż konwencjonalne procesy fizykochemiczne.