BIOREMEDIÁCIA: VLASTNOSTI, TYPY, VÝHODY A NEVÝHODY - BIOLÓGIE - 2025

Bioremediácie je sada biotechnológií sanitácie použitie metabolickej schopnosti bakteriálnych mikroorganizmov, húb, rastlín a / alebo izolovaných enzýmov, na odstránenie znečisťujúcich látok v pôde a vode.

Mikroorganizmy (baktérie a huby) a niektoré rastliny môžu biotransformovať širokú škálu znečisťujúcich a toxických organických zlúčenín, pokiaľ nie sú škodlivé alebo neškodné. Môžu dokonca nie je biologicky rozložiteľný niektoré organické zlúčeniny, ich najjednoduchšej forme, ako sú napríklad metánu (CH ₄ ) a oxidu uhličitého (CO ₂ ).

Obrázok 1. Kontaminácia životného prostredia ropným škvrnami, neskôr ošetrená bioremediáciou. Zdroj: commons.wikimedia.org

Niektoré mikroorganizmy a rastliny môžu tiež extrahovať alebo imobilizovať toxické chemické prvky, ako sú ťažké kovy, do životného prostredia (in situ). Imobilizáciou toxickej látky do životného prostredia už nie je k dispozícii pre živé organizmy, a preto ich neovplyvňuje.

Zníženie biologickej dostupnosti toxickej látky je preto aj formou bioremediácie, hoci to neznamená odstránenie látky z prostredia.

V súčasnosti rastie vedecký a komerčný záujem o vývoj ekonomických technológií a technológií s nízkym dopadom na životné prostredie (alebo „ohľaduplných k životnému prostrediu“), ako je bioremediácia povrchových a podzemných vôd, kalov a kontaminovaných pôd.

Charakteristika bioremediácie

Znečisťujúce látky, ktoré je možné bioremediovať

Medzi znečisťujúce látky, ktoré boli bioremediované, patria okrem iného ťažké kovy, rádioaktívne látky, toxické organické znečisťujúce látky, výbušné látky, organické zlúčeniny získané z oleja (polyaromatické uhľovodíky alebo HPA), fenoly.

Fyzikálno-chemické podmienky počas bioremediácie

Pretože bioremediačné procesy závisia od aktivity mikroorganizmov a živých rastlín alebo ich izolovaných enzýmov, musia sa pre každý organizmus alebo enzýmový systém udržiavať vhodné fyzikálno-chemické podmienky, aby sa optimalizovala ich metabolická aktivita v bioremediačnom procese.

Faktory, ktoré sa majú optimalizovať a udržiavať počas celého procesu bioremediácie

- Koncentrácia a biologická dostupnosť znečisťujúcej látky v podmienkach prostredia: pretože ak je príliš vysoká, môže byť škodlivá pre rovnaké mikroorganizmy, ktoré majú schopnosť ich biotransformovať.

- Vlhkosť: dostupnosť vody je nevyhnutná pre živé organizmy, ako aj pre enzymatickú aktivitu bezbunkových biologických katalyzátorov. Vo všeobecnosti by sa mala v pôdach podrobených bioremediácii udržiavať 12 až 25% relatívna vlhkosť.

- Teplota: musí byť v rozsahu, ktorý umožňuje prežitie použitých organizmov a / alebo požadovanú enzymatickú aktivitu.

- Biologicky dostupné živiny: nevyhnutné pre rast a množenie požadovaných mikroorganizmov. Musí sa kontrolovať najmä uhlík, fosfor a dusík, ako aj niektoré základné minerály.

- Kyslosť alebo zásaditosť vodného média alebo pH (meranie iónov H ⁺ v médiu).

- Dostupnosť kyslíka: vo väčšine bioremediačných techník sa používajú aeróbne mikroorganizmy (napríklad pri kompostovaní, biopiloch a „krajinárstve“) a je potrebné prevzdušňovanie substrátu. Anaeróbne mikroorganizmy sa však môžu použiť v bioremediačných procesoch, za veľmi kontrolovaných podmienok v laboratóriu (pomocou bioreaktorov).

Druhy bioremediácie

Medzi aplikované bioremediačné biotechnológie patria:

biostimulačný

Biostimulácia spočíva v stimulácii in situ tých mikroorganizmov, ktoré sa už nachádzajú v kontaminovanom prostredí (autochtónne mikroorganizmy), ktoré sú schopné bioremediáciu kontaminujúcej látky.

Biostimulácia in situ sa dosiahne optimalizáciou fyzikálno-chemických podmienok pre požadovaný proces, ktorý nastane; pH, kyslík, vlhkosť, teplota, okrem iného a pridávanie potrebných živín.

bioaugmentace

Bioaugmentácia zahŕňa zvýšenie množstva požadovaných mikroorganizmov (pokiaľ možno autochtónnych) vďaka pridaniu ich očkovacích látok pestovaných v laboratóriu.

Po inokulácii predmetných mikroorganizmov in situ sa musia fyzikálno-chemické podmienky optimalizovať (napríklad pri biostimulácii), aby sa podporila degradačná aktivita mikroorganizmov.

Pri aplikácii bioaugmentácie sa musia brať do úvahy náklady na mikrobiálnu kultúru v bioreaktoroch v laboratóriu.

Biostimulácia aj bioaugmentácia sa môžu kombinovať so všetkými ostatnými biotechnológiami opísanými nižšie.

kompostovanie

Kompostovanie spočíva v zmiešaní kontaminovaného materiálu s nekontaminovanou pôdou doplnenou o látky na ochranu rastlín a živín. Táto zmes tvorí kužele vysoké až 3 m, od seba vzdialené.

Okysličovanie dolných vrstiev kužeľov sa musí regulovať ich pravidelným odstraňovaním z jedného miesta na druhé pomocou strojového zariadenia. Musia sa tiež udržiavať optimálne podmienky vlhkosti, teploty, pH, výživných látok.

Biopiles

Technika bioremediácie s biopalivami je rovnaká ako technika kompostovania opísaná vyššie, s výnimkou:

• Neprítomnosť množiteľských agentov rastlinného alebo živočíšneho pôvodu.
• Eliminácia prevzdušňovania pohybom z jedného miesta na druhé.

Biopalivá zostávajú upevnené na rovnakom mieste a sú prevzdušňované vo svojich vnútorných vrstvách prostredníctvom systému potrubí, ktorého náklady na inštaláciu, prevádzku a údržbu sa musia zohľadniť od projektovej fázy systému.

Landfarming

Biotechnológia s názvom „landfarming“ (preložené z angličtiny: obrábanie pôdy) spočíva v zmiešaní kontaminovaného materiálu (blato alebo sediment) s prvými 30 cm nekontaminovanej pôdy veľkej plochy.

V týchto prvých centimetroch pôdy je degradácia znečisťujúcich látok priaznivá vďaka prevzdušneniu a zmiešaniu. Na tieto úlohy sa používajú poľnohospodárske stroje, ako sú napríklad pluhy.

Hlavnou nevýhodou poľnohospodárstva je to, že nevyhnutne vyžaduje veľké plochy pôdy, ktoré by sa mohli použiť na výrobu potravín.

Fytoremediácia

Fytoremediacia, tiež nazývaná bioremediácia s mikroorganizmami a rastlinami, je súbor biotechnológií založený na použití rastlín a mikroorganizmov na odstránenie, obmedzenie alebo zníženie toxicity znečisťujúcich látok v povrchových alebo podzemných vodách, kaloch a pôdach.

Počas fytoremediácie môže dôjsť k degradácii, extrakcii a / alebo stabilizácii (zníženie biologickej dostupnosti) kontaminantu. Tieto procesy závisia od interakcií medzi rastlinami a mikroorganizmami, ktoré žijú veľmi blízko svojich koreňov, v oblasti zvanej rhizosféra.

Obrázok 2. Bioremediácia vody kontaminovanej rastlinami a mikroorganizmami. Zdroj: Wikyhelper, z Wikimedia Commons

Fytoremediácia bola obzvlášť úspešná pri odstraňovaní ťažkých kovov a rádioaktívnych látok z pôdy a povrchových alebo podzemných vôd (alebo rabfiltrácie kontaminovanej vody).

V tomto prípade rastliny hromadia kovy z okolitého prostredia vo svojich tkanivách a potom sa zbierajú a spaľujú za kontrolovaných podmienok, takže znečisťujúca látka prechádza z dispergovania v prostredí na koncentráciu vo forme popola.

Získaný popol sa môže spracovať na regeneráciu kovu (ak je to v ekonomickom záujme) alebo sa môže opustiť na miestach konečného zneškodnenia odpadu.

Nevýhodou fytoremediacie je nedostatok podrobných znalostí o interakciách, ktoré sa vyskytujú medzi príslušnými organizmami (rastliny, baktérie a prípadne mykorrhizálne huby).

Na druhej strane sa musia zachovať podmienky prostredia, ktoré spĺňajú potreby všetkých použitých organizmov.

bioreaktory

Bioreaktory sú kontajnery značnej veľkosti, ktoré umožňujú udržiavať veľmi kontrolované fyzikálno-chemické podmienky vo vodných kultivačných médiách s cieľom uprednostniť požadovaný biologický proces.

Bakteriálne mikroorganizmy a huby sa môžu kultivovať vo veľkom meradle v laboratóriu v bioreaktoroch a potom aplikovať in situ bioaugmentačné procesy. Mikroorganizmy sa môžu tiež kultivovať v záujme získania ich enzýmov degradujúcich znečisťujúce látky.

Bioreaktory sa používajú v bioremediačných procesoch ex situ zmiešaním kontaminovaného substrátu s mikrobiálnym kultivačným médiom, čo podporuje degradáciu kontaminantu.

Mikroorganizmy pestované v bioreaktoroch môžu byť dokonca anaeróbne, v takom prípade musí byť vodné kultivačné médium zbavené rozpusteného kyslíka.

Obrázok 3. Bioreaktor. Zdroj: es.m.wikipedia.org

V rámci bioremediačných biotechnológií je použitie bioreaktorov relatívne drahé z dôvodu údržby zariadenia a požiadaviek na mikrobiálnu kultúru.

Microremediation

Použitie plesňových mikroorganizmov (mikroskopických húb) v bioremediačných procesoch toxickej znečisťujúcej látky sa nazýva mykoremediacia.

Malo by sa vziať do úvahy, že kultivácia mikroskopických húb je zvyčajne zložitejšia ako kultivácia baktérií, a preto si vyžaduje vyššie náklady. Okrem toho huby rastú a množia sa pomalšie ako baktérie, pričom bioremediácia pomocou húb je pomalším procesom.

Bioremediacia verzus konvenčné fyzikálne a chemické technológie

-Advantage

Bioremediačné biotechnológie sú omnoho ekonomickejšie a šetrnejšie k životnému prostrediu ako konvenčné technológie chemickej a fyzickej hygieny prostredia.

To znamená, že aplikácia bioremediácie má menší vplyv na životné prostredie ako konvenčné fyzikálno-chemické postupy.

Na druhej strane, medzi mikroorganizmami používanými v bioremediačných procesoch môžu niektoré dokonca mineralizovať znečisťujúce látky a zabezpečiť ich vymiznutie z prostredia, čo je ťažké dosiahnuť v jednom kroku konvenčnými fyzikálno-chemickými procesmi.

- Nevýhody a aspekty, ktoré treba zvážiť

Mikrobiálne metabolické kapacity existujúce v prírode

Vzhľadom na to, že sa izolovalo iba 1% mikroorganizmov v prírode, obmedzením bioremediácie je práve identifikácia mikroorganizmov schopných biologického odbúravania špecifickej kontaminujúcej látky.

Nedostatok znalostí o aplikovanom systéme

Na druhej strane bioremediácia pracuje so zložitým systémom dvoch alebo viacerých živých organizmov, čo vo všeobecnosti nie je úplne objasnené.

Niektoré študované mikroorganizmy obsahujú biotransformované znečisťujúce látky na ešte toxickejšie vedľajšie produkty. Z tohto dôvodu je potrebné v laboratóriu predtým dôkladne preštudovať bioremediačné organizmy a ich vzájomné interakcie.

Okrem toho sa musia pilotné skúšky v malom rozsahu (v teréne) vykonať pred ich hromadným použitím a nakoniec sa musia bioremediačné procesy monitorovať in situ, aby sa zabezpečilo správne fungovanie hygieny prostredia.

Extrapolácia výsledkov získaných v laboratóriu

Kvôli vysokej komplexnosti biologických systémov nemôžu byť výsledky získané v malom meradle v laboratóriu vždy extrapolované na poľné procesy.

Osobitosti každého bioremediačného procesu

Každý bioremediačný proces zahŕňa špecifický experimentálny návrh podľa konkrétnych podmienok kontaminovaného miesta, typu kontaminovanej látky, ktorá sa má ošetriť, a organizmov, ktoré sa majú použiť.

Potom je nevyhnutné, aby tieto procesy riadili interdisciplinárne skupiny špecialistov, medzi ktorými musia byť okrem iného biológovia, chemici, inžinieri.

Udržiavanie fyzikálno-chemických podmienok prostredia v prospech rastového a metabolického pôsobenia, ktoré je predmetom záujmu, si vyžaduje stálu prácu počas procesu bioremediácie.

Potrebný čas

A nakoniec, bioremediačné procesy môžu trvať dlhšie ako tradičné fyzikálno-chemické procesy.

Referencie

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediácia pôd kontaminovaných spotrebovaným olejom pomocou hydinovej podstielky. Research Journal in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). „Bioremediácia, biostimulácia a bioaugmentácia: prehľad“. Medzinárodný denník environmentálnej bioremediácie a biologického rozkladu. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Faktory obmedzujúce technológie bioremediácie". Technológia biologických zdrojov. 74: 63–7. doi: 10,016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY a Schoeder, D. (1999). Zásady biologického výskumu. McGraw-Hill Interamericana v Španielsku, Madrid. str. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA a Brock, T. (2015). Brockova biológia mikroorganizmov. 14 ed. Benjamin Cummings. str. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Mikrobiológia na kontrolu znečistenia životného prostredia. M. Dekker. str. 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fytoremediacia. Annu. Plant Biol. 56: 15-39.