BIOREMEDIÁCIÓ: JELLEMZŐK, TÍPUSOK, ELŐNYÖK ÉS HÁTRÁNYOK - BIOLÓGIA - 2025

A bioremediáció a biotechnológiai szennyvízelvezetés sorozata, amely a bakteriális mikroorganizmusok, gombák, növények és / vagy izolált enzimek metabolikus képességét használja fel a szennyező anyagok talajban és vízben történő eltávolítására.

A mikroorganizmusok (baktériumok és gombák) és egyes növények számos különféle szennyező és mérgező szerves vegyületet képesek biotranszformálni, mindaddig, amíg azok nem károsak vagy ártalmatlanok. Akár egyes szerves vegyületeket is lebonthatnak legegyszerűbb formáikba, például metán (CH ₄) és szén-dioxid (CO ₂).

1. ábra: Környezetszennyezés olajszennyezéssel, később bioremediációval kezelve Forrás: commons.wikimedia.org

Egyes mikroorganizmusok és növények toxikus kémiai elemeket, például nehézfémeket is kivonhatnak vagy immobilizálhatnak a környezetben (in situ). A toxikus anyag környezetbe történő immobilizálásával az élő szervezetek már nem érhetők el, ezért nem befolyásolja őket.

Ezért a mérgező anyagok biológiai hozzáférhetőségének csökkentése szintén a bio-rehabilitáció egyik formája, bár ez nem jelenti az anyag környezetből történő eltávolítását.

Jelenleg egyre növekszik a tudományos és kereskedelmi érdeklődés a gazdasági és alacsony környezeti hatású (vagy „környezetbarát”) technológiák, például a felszíni és a felszín alatti vizek, az iszapok és a szennyezett talajok biológiai rehabilitációja iránt.

A bioremediáció jellemzői

Szennyező anyagok, amelyek bioremeditálhatók

A bioremeditált szennyező anyagok között szerepelnek a nehézfémek, radioaktív anyagok, mérgező szerves szennyező anyagok, robbanóanyagok, az olajból származó szerves vegyületek (poliaromás szénhidrogének vagy HPA-k), többek között a fenolok.

Fizikai-kémiai körülmények a bioremediáció során

Mivel a bioremediációs folyamatok a mikroorganizmusok és az élő növények, vagy azok izolált enzimeinek aktivitásától függenek, minden organizmus vagy enzimrendszer számára fenn kell tartani a megfelelő fizikai-kémiai körülményeket annak érdekében, hogy optimalizálják metabolikus aktivitásukat a bioremediációs folyamatban.

A bioremediációs folyamat során optimalizálható és fenntartandó tényezők

-A szennyező anyag koncentrációja és biológiai hozzáférhetősége környezeti feltételek mellett: mivel ha túl magas, akkor káros lehet azoknak a mikroorganizmusoknak, amelyek képesek biotranszformálni őket.

- Páratartalom: A víz rendelkezésre állása elengedhetetlen az élő szervezetekhez, valamint a sejtmentes biológiai katalizátorok enzimatikus aktivitásához. Általában 12-25% relatív páratartalmat kell fenntartani a talajban, amelyet biológiailag megjavítanak.

-Hőmérséklet: Ennek a tartománynak kell lennie, amely lehetővé teszi az alkalmazott szervezetek túlélését és / vagy a szükséges enzimatikus aktivitást.

-A biológiailag hozzáférhető tápanyagok: nélkülözhetetlenek az érdekes mikroorganizmusok szaporodásához és szaporodásához. Elsősorban a szén, a foszfor és a nitrogén, valamint néhány alapvető ásványi anyag ellenőrzése szükséges.

-A vizes közeg savassága vagy lúgossága vagy pH-ja (a közegben a H ⁺ -ionok mérése).

- Az oxigén elérhetősége: A legtöbb bio-rehabilitációs technikában aerob mikroorganizmusokat használnak (például komposztáláshoz, biopiles és „hulladékgazdálkodáshoz”), és a szubsztrátum levegőztetése szükséges. Az anaerob mikroorganizmusok azonban felhasználhatók a bioremediációs folyamatokban, nagyon kontrollált körülmények között a laboratóriumban (bioreaktorok felhasználásával).

A bioremediáció típusai

Az alkalmazott bioremediációs biotechnológiák a következők:

A hegek

A biostimuláció a környezetben már jelen levő szennyezett mikroorganizmusok (autochtonos mikroorganizmusok) in situ stimulációjából áll, amelyek képesek a szennyező anyag bio-újrafelhasználására.

Az in situ biostimulációt úgy érik el, hogy a kívánt folyamat bekövetkeztéhez szükséges fizikai-kémiai körülményeket optimalizálják; pH, oxigén, páratartalom, hőmérséklet, egyebek mellett a szükséges tápanyagok hozzáadása.

bioaugmentációs

A bioaugmentáció magában foglalja az érdeklődésre számot tartó mikroorganizmusok mennyiségének (lehetőleg autochtonos) növekedését, a laboratóriumban termesztett oltóanyag hozzáadásának köszönhetően.

Ezt követően, miután a kérdéses mikroorganizmusokat in situ beoltották, a fizikai-kémiai körülményeket optimalizálni kell (például biostimulációban) a mikroorganizmusok lebomló aktivitásának elősegítése érdekében.

A bioaugmentáció alkalmazásához figyelembe kell venni a laboratóriumi bioreaktorokban a mikrobiális tenyésztés költségeit.

Mind a biostimuláció, mind a bioaugmentáció kombinálható az összes többi, az alábbiakban ismertetett biotechnológiával.

Komposztáló

A komposztálás során a szennyezett anyagot összekeverik a szennyezetlen talajjal, kiegészítve növényi vagy állati tenyésztõ szerekkel és tápanyagokkal. Ez a keverék egymástól távolságban 3 m magasságú kúpokat képez.

A kúpok alsó rétegeinek oxigénellátását ellenőrizni kell, azáltal, hogy gépeikkel rendszeresen eltávolítják az egyik helyről a másikra. A nedvesség, a hőmérséklet, a pH és a tápanyagok optimális körülményeit is fenn kell tartani.

Biopiles

A biopopulációval végzett bioremediációs technika megegyezik a fent leírt komposztálási módszerrel, kivéve:

• Növényi vagy állati eredetű nemesítők hiánya.
• A levegőztetés kiküszöbölése egyik helyről a másikra történő mozgatással.

A biopillák ugyanabban a helyen vannak rögzítve, és belső rétegeikben egy csőrendszeren keresztül szellőztetik őket, amelynek telepítési, üzemeltetési és karbantartási költségeit a rendszer tervezési szakaszától kell figyelembe venni.

Landfarming

A „landfarming” elnevezésű biotechnológia (fordítva angolul: a föld talajművelése) a szennyezett anyag (sár vagy üledék) összekeveréséből áll egy nagy terület első 30 cm-es szennyezetlen talajával.

A talaj ezen első centiméterében a szennyező anyagok lebomlása a levegőztetés és a keveredés révén kedvező. Ezekhez a feladatokhoz mezőgazdasági gépeket, például eke traktorokat használnak.

A földművelés fő hátránya, hogy szükségszerűen nagy földterületekre van szükség, amelyeket élelmiszer-előállításhoz lehet felhasználni.

fitoremediációra

A fitoremediáció, más néven mikroorganizmus és növénysegített bioremediáció, növények és mikroorganizmusok felhasználására épülő biotechnológiák olyan csoportja, amely a szennyező anyagok felszíni vagy felszín alatti vizekben, iszapokban és talajokban történő eltávolítására, korlátozására vagy csökkentésére szolgál.

A fitoremediáció során a szennyeződés lebomlása, extrahálása és / vagy stabilizálása (a biohasznosulás csökkenése) fordulhat elő. Ezek a folyamatok függnek a növények és a gyökerekhez nagyon közel élő, a rizoszférában nevezett területen működő mikroorganizmusok kölcsönhatásaitól.

2. ábra A növényekkel és mikroorganizmusokkal szennyezett víz bio-rehabilitációja. Forrás: Wikyhelper, a Wikimedia Commonsból

A fitoremediáció különösen sikeres volt a nehézfémek és radioaktív anyagok talajból, felszíni vagy talajvízből történő eltávolításában (vagy a szennyezett víz rizofiltrálásával).

Ebben az esetben a növények felgyülemlik a fémeket a környezetről a szöveteikben, majd betakarítják és ellenőrzött körülmények között égetik el, így a szennyező anyag a környezetben való diszpergálódásból hamu formájában koncentrálódik.

A kapott hamu kezelhető a fém visszanyerése céljából (ha ez gazdasági érdekű), vagy elhagyható a hulladék végleges elhelyezésének helyein.

A fitoremediáció hátránya az érintett szervezetek (növények, baktériumok és esetleg mycorrhizus gombák) közötti kölcsönhatások alapos ismerete.

Másrészt fenn kell tartani azokat a környezeti feltételeket, amelyek kielégítik az alkalmazott szervezetek igényeit.

bioreaktorok

A bioreaktorok jelentős méretű tartályok, amelyek lehetővé teszik a nagyon kontrollált fizikai-kémiai körülmények fenntartását a vizes táptalajokban, azzal a céllal, hogy elősegítsék az érdekes biológiai folyamatot.

A bakteriális mikroorganizmusok és gombák nagymértékben tenyészthetők a laboratóriumban bioreaktorokban, majd alkalmazhatók in situ bioaugmentációs folyamatokban. A mikroorganizmusok tenyészthetők a szennyező anyagokat lebontó enzimeik előállítása érdekében is.

A bioreaktorokat ex situ bioremediációs folyamatokban használják úgy, hogy a szennyezett szubsztrátot összekeverik a mikrobiális tápközeggel, elősegítve a szennyező anyag lebomlását.

A bioreaktorokban termesztett mikroorganizmusok akár anaerobok is lehetnek, ebben az esetben a vizes táptalajnak mentesnek kell lennie az oldott oxigéntől.

3. ábra: Bioreaktor. Forrás: es.m.wikipedia.org

A bioremediációs biotechnológiák között a bioreaktorok használata viszonylag drága, a berendezések karbantartása és a mikrobiális tenyésztési követelmények miatt.

Microremediation

A gombás mikroorganizmusok (mikroszkopikus gombák) felhasználását mérgező szennyező anyagok bioremediációs folyamataiban mikorremediációnak nevezzük.

Figyelembe kell venni, hogy a mikroszkopikus gombák tenyésztése általában összetettebb, mint a baktériumok, és ezért magasabb költségeket von maga után. Ezenkívül a gombák lassabban növekednek és szaporodnak, mint a baktériumok, a gombák által támogatott bioremediáció lassabb folyamat.

Bioremediáció a hagyományos fizikai és kémiai technológiákkal szemben

-Előny

A bioremediációs biotechnológiák sokkal gazdaságosabb és környezetbarátabbak, mint a szokásosan alkalmazott kémiai és fizikai környezeti szennyvízelvezetési technológiák.

Ez azt jelenti, hogy a bioremediáció alkalmazásának kisebb a környezeti hatása, mint a hagyományos fizikai-kémiai gyakorlatoknál.

Másrészről, a bioremediációs folyamatokban alkalmazott mikroorganizmusok közül néhányan a szennyező vegyületeket is mineralizálhatják, biztosítva a környezetükből való eltűnésüket, amit a hagyományos fizikai-kémiai eljárásokkal egyetlen lépésben nehéz elérni.

- Hátrányok és szempontok, amelyeket figyelembe kell venni

A természetben meglévő mikrobiális anyagcsere-képesség

Mivel a természetben meglévő mikroorganizmusok csak 1% -át izolálta, a bioremediáció korlátozása pontosan az a szennyező anyag biológiai lebontására képes mikroorganizmusok azonosítása.

Az alkalmazott rendszer ismeretének hiánya

Másrészről, a bioremediáció két vagy több élő organizmus komplex rendszerével működik, amelyet általában nem teljesen tisztáznak.

Néhány vizsgált mikroorganizmus biológiailag transzformálta a szennyező vegyületeket még mérgezőbb melléktermékekké. Ezért a laboratóriumban előzetesen alaposan meg kell vizsgálni a bioremediációs organizmusokat és azok kölcsönhatásait.

Ezenkívül kis méretű (helyszíni) kísérleteket kell elvégezni, mielőtt tömegesen alkalmaznák őket, és végül a bioremediációs folyamatokat helyben kell ellenőrizni, hogy garantálják a környezeti higiénia megfelelőségét.

A laboratóriumban kapott eredmények extrapolálása

A biológiai rendszerek nagy bonyolultsága miatt a laboratóriumban kis léptékben elért eredményeket nem lehet mindig extrapolálni a terepi folyamatokra.

Az egyes bioremediációs folyamatok sajátosságai

Minden bio-rehabilitációs folyamat magában foglal egy speciális kísérleti tervet, a szennyezett terület sajátos körülményei, a kezelendő szennyező anyag típusa és az alkalmazandó organizmusok szerint.

Ezután szükséges, hogy ezeket a folyamatokat interdiszciplináris szakemberek csoportjai irányítsák, köztük biológusok, vegyészek, mérnökök.

A környezeti fizikai-kémiai feltételek fenntartása az érdeklődésre számot tartó növekedés és anyagcsere-aktivitás elősegítése érdekében állandó munkát jelent a bioremediációs folyamat során.

A szükséges idő

Végül a bioremediációs folyamatok hosszabb ideig is tarthatnak, mint a szokásos fizikai-kémiai folyamatok.

Irodalom

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). A kiégett olajjal szennyezett talajok biológiai rehabilitációja baromfi alom felhasználásával. Mérnöki és Alkalmazott Tudományok Kutatási Folyóirata3 (2) 124–130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediáció, biostimuláció és bioaugmentáció: áttekintés". Nemzetközi folyóirat a környezeti bioremediációról és biodegradációról. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "A bioremediációs technológiákat korlátozó tényezők". Bioforrás-technológia. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY és Schoeder, D. (1999). A bioregeneráció alapelvei. McGraw-Hill Interamericana, Spanyolország, Madrid. 296. oldal
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA és Brock, T. (2015). A mikroorganizmusok Brock biológiája. 14 ed. Benjamin Cummings. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Környezeti szennyezés ellenőrzése Mikrobiológia M. Dekker. 453. oldal
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol., 56: 15-39.