BIOREMEDIJACIJA: KARAKTERISTIKE, VRSTE, PREDNOSTI I NEDOSTACI - BIOLOGIJA - 2025

Biološko pročišćavanje je skup Biotechnologies sanitacije koristeći metaboličke mogućnosti mikroorganizama, gljiva, biljaka i / ili izoliranih enzima, za uklanjanje onečišćenja u tlu i vode.

Mikroorganizmi (bakterije i gljivice) i neke biljke mogu biotransformirati široku paletu zagađujućih i toksičnih organskih spojeva sve dok nisu štetni ili bezopasni. Oni se mogu razgraditi i neke organske spojeve njihovim najjednostavnijih oblika, kao što je metan (CH ₄) i ugljičnog dioksida (CO ₂).

Slika 1. Onečišćenje okoliša izlijevanjem nafte, kasnije obrađeno bioremedijacijom. Izvor: commons.wikimedia.org

Neki mikroorganizmi i biljke mogu također izvući ili imobilizirati toksične kemijske elemente, poput teških metala, u okoliš (in situ). Imobiliziranjem otrovne tvari u okolišu više nije dostupno živim organizmima i stoga na njih ne utječe.

Stoga je smanjenje bioraspoloživosti otrovne tvari također oblik bioremedijacije, iako ne podrazumijeva uklanjanje tvari iz okoliša.

Trenutno postoji sve veći znanstveni i komercijalni interes za razvijanjem ekonomičnih i niskih utjecaja na okoliš (ili „ekološki prihvatljivih“) tehnologija, poput bioremedijacije površinskih i podzemnih voda, mulja i onečišćenih tla.

Karakteristike bioremedijacije

Kontaminanti koji se mogu bioremedirati

Među onečišćujućim tvarima koji su bioremedijati su teški metali, radioaktivne tvari, toksična organska onečišćenja, eksplozivne tvari, organski spojevi dobiveni iz nafte (poliaromatski ugljikovodici ili HPA), fenoli, među ostalim.

Fizikalno-kemijska stanja tijekom bioremedijacije

Budući da procesi bioremedijacije ovise o aktivnosti mikroorganizama i živih biljaka ili njihovih izoliranih enzima, moraju se održavati odgovarajući fizikalno-kemijski uvjeti za svaki organizam ili enzimski sustav, kako bi se optimizirala njihova metabolička aktivnost u procesu bioremedijacije.

Čimbenici koje treba optimizirati i održavati tijekom procesa bioremedijacije

- Koncentracija i bioraspoloživost zagađivača u uvjetima okoliša: jer ako je previsoka, može biti štetna za iste mikroorganizme koji ih imaju sposobnost biotransformirati.

- Vlažnost: dostupnost vode je bitna za žive organizme, kao i za enzimatsku aktivnost bioloških katalizatora bez stanica. Općenito, 12 do 25% relativne vlage treba održavati na tlima koja su podvrgnuta bioremedijaciji.

-Temperatura: mora biti u rasponu koji omogućava preživljavanje primijenjenih organizama i / ili potrebno enzimsko djelovanje.

- Bioraspoloživa hranjiva: potrebna za rast i umnožavanje mikroorganizama koji su od interesa. Uglavnom se moraju kontrolirati ugljik, fosfor i dušik, kao i neki bitni minerali.

- Kiselost ili alkalnost vodenog medija ili pH (mjerenje H ⁺ iona u mediju).

- Dostupnost kisika: u većini tehnika bioremedijacije koriste se aerobni mikroorganizmi (na primjer, za kompostiranje, biopile i "zemljoradništvo"), a zračenje supstrata je neophodno. Međutim, anaerobni mikroorganizmi mogu se koristiti u procesima bioremedijacije, pod vrlo kontroliranim uvjetima u laboratoriju (koristeći bioreaktore).

Vrste bioremedijacije

Među primijenjenim biotehnologijama bioremedijacije su sljedeće:

biostimulacija

Biostimulacija se sastoji od in situ stimulacije onih mikroorganizama koji su već prisutni u kontaminiranom okolišu (autohtoni mikroorganizmi), a koji su sposobni bioremedirati kontaminacijsku tvar.

In situ biostimulacija postiže se optimizacijom fizikalno-kemijskih uvjeta da se odvija željeni proces, to jest; pH, kisik, vlaga, temperatura između ostalog i dodavanje potrebnih hranjivih sastojaka.

Bioaugmentation

Bioaugmentacija uključuje povećanje količine mikroorganizama koji su od interesa (po mogućnosti autohtoni) zahvaljujući dodatku njihove inokule koja se uzgaja u laboratoriju.

Nakon toga, nakon što su in situ inokulirani mikroorganizmi koji se zanimaju, fizikalno-kemijski uvjeti moraju biti optimizirani (kao što je biostimulacija) kako bi se potaknula degradacijska aktivnost mikroorganizama.

Za primjenu bioaugmentacije potrebno je uzeti u obzir troškove mikrobne kulture u bioreaktorima u laboratoriju.

I biostimulacija i bioaugmentacija mogu se kombinirati sa svim ostalim biotehnologijama opisanim u nastavku.

kompostiranja

Kompostiranje se sastoji od miješanja onečišćenog materijala s nekontaminiranim tlom nadopunjenim sredstvima za uzgoj biljaka ili životinja i hranjivim tvarima. Ova smjesa tvori stožce visine do 3 m, razmaknute jedan od drugog.

Oksigenacijom donjih slojeva konusa potrebno je kontrolirati redovnim uklanjanjem strojeva s jednog mjesta na drugo. Takođe se moraju održavati optimalni uvjeti vlage, temperature, pH, hranjivih sastojaka, između ostalog.

Biopiles

Tehnika bioremedijacije s biopilovima jednaka je opisanoj tehnici kompostiranja, osim:

• Nepostojanje uzgajivača biljnog ili životinjskog podrijetla.
• Eliminacija prozračivanja kretanjem s jednog mjesta na drugo.

Biopile ostaju fiksne na istom mjestu i prozračene su u unutrašnjim slojevima kroz cijevi, čiji se troškovi postavljanja, rada i održavanja moraju uzeti u obzir iz faze dizajna sustava.

Landfarming

Biotehnologija nazvana "landfarming" (u prijevodu s engleskog: obrađivanje zemlje) sastoji se od miješanja kontaminiranog materijala (blata ili sedimenta) s prvih 30 cm nezagađenog tla velikog područja.

U tim prvim centimetrima tla pogoduje degradacija onečišćujućih tvari zahvaljujući njenoj aeraciji i miješanju. Za te zadatke koristi se poljoprivredna mehanizacija, poput traktora za plugove.

Glavni nedostatak zemljoradništva je taj što zahtijeva nužno velike površine zemljišta koje bi se mogle koristiti za proizvodnju hrane.

fitoremedijacija

Fitoremedijacija, koja se naziva i mikroorganizam i bioremedijacija potpomognuta biljkama, skup je biotehnologija koje se temelje na upotrebi biljaka i mikroorganizama za uklanjanje, ograničavanje ili smanjenje toksičnosti zagađujućih tvari u površinskim ili podzemnim vodama, mulju i tlu.

Tijekom fitoremedijacije može doći do razgradnje, ekstrakcije i / ili stabilizacije (smanjenje bioraspoloživosti) onečišćenja. Ti procesi ovise o interakcijama između biljaka i mikroorganizama koji žive vrlo blizu svojih korijena, na području koje se naziva rizfera.

Slika 2. Bioremedijacija vode onečišćene biljkama i mikroorganizmima. Izvor: Wikyhelper, iz Wikimedia Commons

Fitoremedijacija je posebno uspješna u uklanjanju teških metala i radioaktivnih tvari iz tla i površinskih ili podzemnih voda (ili rizofiltraciji kontaminirane vode).

U tom slučaju biljke nakupljaju metale iz okoliša u svojim tkivima, a zatim se sakupljaju i spaljuju u kontroliranim uvjetima, tako da onečišćujuće tvari odlazi od dispergiranja u okoliš, do koncentriranja u obliku pepela.

Dobiveni pepeo može se obrađivati ​​za skupljanje metala (ako je to od gospodarskog interesa) ili se može napustiti na mjestima konačnog odlaganja otpada.

Nedostatak fitoremedijacije je nedostatak poznavanja interakcija koje se događaju između uključenih organizama (biljke, bakterije i, možda, mikorizne gljivice).

S druge strane, moraju se održavati okolišni uvjeti koji zadovoljavaju potrebe svih primijenjenih organizama.

bioreaktora

Bioreaktori su spremnici velike veličine koji omogućuju održavanje vrlo kontroliranih fizikalno-kemijskih uvjeta u vodenom mediju kulture s ciljem favoriziranja biološkog procesa od interesa.

Bakterijski mikroorganizmi i gljivice mogu se uzgajati u velikoj mjeri u laboratoriju u bioreaktorima i zatim se primjenjivati ​​in situ postupcima bioagmentacije. Mikroorganizmi se također mogu uzgajati u interesu dobivanja enzima koji razgrađuju zagađivače.

Bioreaktori se koriste u ex situ procesima bioremedijacije, miješanjem onečišćenog supstrata sa sredstvom za mikrobnu kulturu, pogodujući razgradnji onečišćenja.

Mikroorganizmi koji se uzgajaju u bioreaktorima mogu biti čak i anaerobni, u tom slučaju vodeni medij za kulturu mora biti lišen otopljenog kisika.

Slika 3. Bioreaktor. Izvor: es.m.wikipedia.org

Među biotehnologijama za bioremedijaciju upotreba bioreaktora relativno je skupa, zbog održavanja opreme i zahtjeva za mikrobnu kulturu.

Microremediation

Upotreba gljivičnih mikroorganizama (mikroskopskih gljivica) u bioremedijacijskim procesima toksičnog onečišćujućih tvari naziva se mikorremedijacija.

Treba uzeti u obzir da je uzgoj mikroskopskih gljiva obično složeniji od bakterija i stoga podrazumijeva veće troškove. Nadalje, gljivice rastu i razmnožavaju se sporije od bakterija, pri čemu je bioremedijacija potpomognuta gljivicama sporiji proces.

Bioremedijacija prema konvencionalnim fizikalnim i kemijskim tehnologijama

-Prednost

Bioremedijacijske biotehnologije mnogo su ekonomičnije i ekološki prihvatljivije od konvencionalno primijenjenih kemijskih i fizikalnih tehnologija sanacije okoliša.

To znači da primjena bioremedijacije ima manji utjecaj na okoliš od uobičajenih fizikalno-kemijskih praksi.

S druge strane, među mikroorganizmima koji se primjenjuju u procesima bioremedijacije neki mogu čak mineralizirati onečišćujuće spojeve, osiguravajući njihov nestanak iz okoliša, što je teško postići u jednom koraku s uobičajenim fizikalno-kemijskim procesima.

-Postaci i aspekti koje treba uzeti u obzir

Metabolički metabolički kapaciteti postoje u prirodi

S obzirom da je samo 1% mikroorganizama koji postoje u prirodi izolirano, ograničenje bioremedijacije je upravo identifikacija mikroorganizama koji mogu biorazgraditi određenu kontaminacijsku tvar.

Nedostatak znanja o primijenjenom sustavu

S druge strane, bioremedijacija djeluje sa složenim sustavom dvaju ili više živih organizama, koji uglavnom nije potpuno razumljiv.

Neki ispitivani mikroorganizmi imaju biotransformirani onečišćujuće spojeve u još toksičnije nus-produkte. Iz tog razloga, potrebno je prethodno dubinski proučiti organizme bioremedijacije i njihovu interakciju u laboratorijima.

Povrh toga, potrebno je provesti pilot ispite malih razmjera (na terenu) prije nego što ih se masovno primijeni, a na kraju se moraju provesti procesi bioremedijacije in situ kako bi se osiguralo pravilno saniranje okoliša.

Ekstrapolacija rezultata dobivenih u laboratoriju

Zbog velike složenosti bioloških sustava, rezultati dobiveni u malim razmjerima u laboratoriju ne mogu se uvijek ekstrapolirati u terenske procese.

Posebnosti svakog procesa bioremedijacije

Svaki postupak bioremedijacije podrazumijeva poseban eksperimentalni dizajn, u skladu s posebnim uvjetima kontaminiranog mjesta, vrstom onečišćenja koje se tretira i organizmima koji se primjenjuju.

Tada je nužno da tim procesima upravljaju interdisciplinarne skupine stručnjaka, među kojima moraju biti biolozi, kemičari, inženjeri, između ostalih.

Održavanje fizikalno-kemijskih uvjeta u okolišu kojima se favorizira rast i metabolička aktivnost od interesa podrazumijeva stalni rad tijekom procesa bioremedijacije.

Vrijeme je potrebno

Konačno, procesi bioremedijacije mogu trajati duže od uobičajenih fizikalno-kemijskih procesa.

Reference

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremedijacija istrošenih nafta zagađenih tla pomoću peradi. Znanstveni časopis u području inženjerskih i primijenjenih znanosti3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremedijacija, biostimulacija i bioaugmentacija: pregled". Internacionalni časopis za bioremedijaciju okoliša i biodegredaciju. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Čimbenici koji ograničavaju bioremedijacijske tehnologije". Bioresorna tehnologija. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY i Schoeder, D. (1999). Načela Biorecovery. McGraw-Hill Interamericana iz Španjolske, Madrid. pp. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA i Brock, T. (2015). Brock biologija mikroorganizama. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
6. McKinney, RE (2004). Mikrobiološka kontrola onečišćenja okoliša. M. Dekker. pp. 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fitoremedijacija. Annu. Rev. biljni biol. 56: 15-39.