Charakterystyka, rodzaje, zalety i wady bioremediacji



The 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 (CH4) i dwutlenek węgla (CO2).

Również niektóre mikroorganizmy i rośliny mogą wydobywać lub unieruchamiać w środowisku (in situ) 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 też zmniejszenie 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..

Indeks

  • 1 Charakterystyka bioremediacji
    • 1.1 Zanieczyszczenia, które można poddać bioremediacji
    • 1.2 Warunki fizykochemiczne podczas bioremediacji
  • 2 Rodzaje bioremediacji
    • 2.1 Biostymulacja
    • 2.2 Bioaugmentacja
    • 2.3 Kompostowanie
    • 2.4 Biopile
    • 2.5 Gospodarstwo rolne
    • 2.6 Fitoremediacja
    • 2.7 Bioreaktory
    • 2.8 Mikrorozmnażanie
  • 3 Bioremediacja a konwencjonalne technologie fizyczne i chemiczne
    • 3.1-Zalety
    • 3.2-Wady i aspekty do rozważenia
  • 4 odniesienia

Charakterystyka bioremediacji

Zanieczyszczenia, które można poddać bioremediacji

Wśród zanieczyszczeń, które zostały poddane bioremediacji, 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 ono zbyt wysokie, może być szkodliwe dla tych samych mikroorganizmów, które mają zdolność do ich biotransformacji.

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

-Temperatura: musi mieścić się w zakresie, który pozwala przetrwać zastosowanym organizmom 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 środku).

-Dostępność tlenu: w większości technik bioremediacji stosowane są mikroorganizmy tlenowe (na przykład w kompostowaniu, biopaliwach i „Landfarming”), a napowietrzanie podłoża jest konieczne. Jednak 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 podłożu, które było zanieczyszczone (mikroorganizmy autochtoniczne), zdolnych do bioremediacji substancji zanieczyszczającej.

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

Bioaugmentacja

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

Następnie, po zaszczepieniu interesujących mikroorganizmów in situ, Warunki fizykochemiczne muszą być 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 stożków 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 zamocowane 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 zmieszaniu 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. W tej pracy używane są maszyny rolnicze, takie jak ciągniki pługowe.

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

Fitoremediacja

Fitoremediacja, zwana także 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, szlamie 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 ryzosfera.

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

W tym przypadku rośliny gromadzą w swoich tkankach metale środowiska, 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 umożliwiają utrzymanie wysoce kontrolowanych warunków fizykochemicznych w wodnych pożywkach hodowlanych, w celu sprzyjania interesującemu procesowi biologicznemu.

W bioreaktorach mikroorganizmy bakteryjne i grzyby można hodować na dużą skalę iw laboratorium, a następnie stosować w procesach bioaugmentacji in situ. Mikroorganizmy można również hodować w celu uzyskania enzymów degradujących zanieczyszczające enzymy.

Bioreaktory są stosowane 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 w wodnej pożywce hodowlanej nie może być rozpuszczonego tlenu.

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

Micorremediation

Mikrorozdrobnienie to zastosowanie mikroorganizmów grzybowych (mikroskopijnych grzybów) w procesach bioremediacji substancji toksycznych.

Należy wziąć pod uwagę, że hodowla mikroskopijnych grzybów jest zwykle bardziej złożona niż bakterii i dlatego 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 znacznie bardziej ekonomiczne i przyjazne dla środowiska niż konwencjonalne technologie chemiczne i fizyczne w zakresie 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 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

Biorąc pod uwagę, że wyizolowano tylko 1% mikroorganizmów występujących w przyrodzie, jednym z ograniczeń 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 całkowicie znane.

Niektóre badane mikroorganizmy biotransformowały zanieczyszczające związki w jeszcze bardziej toksyczne produkty uboczne. Dlatego konieczne jest uprzednie zbadanie w laboratorium organizmów bioremediujących i ich interakcji w głębi.

Ponadto należy przeprowadzić testy pilotażowe na małą skalę (w terenie) przed ich masowym zastosowaniem, aw końcu procesy bioremediacji muszą być monitorowane. in situ, w celu zapewnienia prawidłowej higieny środowiska.

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 terenowe.

Szczegóły każdego procesu bioremediacji

Każdy proces bioremediacji wiąże się ze specyficznym projektem eksperymentalnym, zgodnie ze szczególnymi warunkami zanieczyszczonego miejsca, rodzajem zanieczyszczenia, które ma być leczone i organizmami, które mają być zastosowane..

Konieczne jest zatem, aby procesy te były kierowane przez interdyscyplinarne grupy specjalistów, między innymi biologów, chemików, inżynierów, między innymi.

Utrzymanie środowiskowych warunków fizykochemicznych w celu pobudzenia wzrostu i aktywności metabolicznej, pociąga za sobą stałe zadanie w procesie bioremediacji.

Potrzebny czas

Wreszcie procesy bioremediacji mogą trwać dłużej niż konwencjonalne procesy fizykochemiczne.

Referencje

  1. Adams, G.O., Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediacja gleb zanieczyszczonych zużytym olejem za pomocą 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 Biodegration. 3 (1): 28-39.
  3. Boopathy, R. (2000). „Czynniki ograniczające technologie bioremediacji”. Technologia Bioresource. 74: 63-7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
  4. Eweis J. B., Ergas, S.J., Chang, D. P.Y. i Schoeder, D. (1999). Zasady Biorrecuperación. McGraw-Hill Interamericana de España, Madryt. str. 296.
  5. Madigan, M.T., Martinko, J.M., Bender, K.S., Buckley, D.H. Stahl, D.A. i Brock, T. (2015). Biologia drobnoustrojów Brocka. 14 ed. Benjamin Cummings. str. 1041.
  6. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczenia środowiska. M. Dekker str. 453.
  7. Pilon-Smits E. 2005. Fitoremediacja. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15-39.