BIOREMEDIATION: KARAKTERISTIKA, TYPER, FORDELE OG ULEMPER - BIOLOGI - 2025

Den bioremediering er et sæt af bioteknologi sanitet anvendelse metaboliske kapacitet på bakterielle mikroorganismer, svampe, planter og / eller isolerede enzymer, for at fjerne kontaminanter i jord og vand.

Mikroorganismer (bakterier og svampe) og nogle planter kan biotransformere en lang række forurenende og giftige organiske forbindelser, indtil de gøres ufarlige eller ufarlige. De kan endda bionedbrydes nogle organiske forbindelser til deres enkleste former, såsom methan (CH ₄) og carbondioxid (CO ₂).

Figur 1. Miljøforurening ved oliespild, senere behandlet med bioremediation Kilde: commons.wikimedia.org

Nogle mikroorganismer og planter kan også udtrække eller immobilisere giftige kemiske elementer, såsom tungmetaller, i miljøet (in situ). Ved at immobilisere det giftige stof i miljøet er det ikke længere tilgængeligt for levende organismer og påvirker derfor ikke dem.

Derfor er reduktion af biotilgængeligheden af ​​et giftigt stof også en form for bioremediering, selvom det ikke indebærer fjernelse af stoffet fra miljøet.

Der er i øjeblikket en voksende videnskabelig og kommerciel interesse i at udvikle lave omkostninger og lave påvirkninger (eller "miljøvenlige") teknologier, såsom bioremediering af overflade og grundvand, slam og forurenet jord.

Karakteristika ved bioremediation

Forurenende stoffer, der kan bioremedieres

Blandt de forurenende stoffer, der er blevet bioremedieret, er tungmetaller, radioaktive stoffer, giftige organiske forurenende stoffer, eksplosive stoffer, organiske forbindelser afledt af olie (polyaromatiske kulbrinter eller HPA'er), fenoler, blandt andre.

Fysisk-kemiske tilstande under bioremediering

Da bioremedieringsprocesser afhænger af aktiviteten af ​​mikroorganismer og levende planter eller deres isolerede enzymer, skal de passende fysisk-kemiske betingelser opretholdes for hver organisme eller enzymsystem for at optimere deres metaboliske aktivitet i bioremedieringsprocessen.

Faktorer, der skal optimeres og vedligeholdes gennem hele bioremediation-processen

-Koncentrationen og biotilgængeligheden af ​​det forurenende stof under miljøforhold: da hvis det er for højt, kan det være skadeligt for de samme mikroorganismer, der har evnen til at biotransformere dem.

-Fugtighed: tilgængeligheden af ​​vand er afgørende for levende organismer såvel som for den enzymatiske aktivitet af cellefrie biologiske katalysatorer. Generelt bør 12 til 25% relativ fugtighed opretholdes i jord, der gennemgår bioremediation.

-Temperatur: det skal være inden for det område, der tillader overlevelse af de påførte organismer og / eller den krævede enzymatiske aktivitet.

-Den biotilgængelige næringsstof: vigtig for vækst og multiplikation af de mikroorganismer, der er af interesse. Hovedsagelig skal kulstof, fosfor og nitrogen kontrolleres såvel som nogle vigtige mineraler.

-Surethed eller alkalitet af det vandige medium eller pH (måling af H ⁺ -ioner i mediet).

-Tilgængeligheden af ​​ilt: i de fleste bioremedieringsteknikker bruges aerobe mikroorganismer (for eksempel til kompostering, biopeler og "landmærkning"), og luftning af underlaget er nødvendigt. Anaerobe mikroorganismer kan imidlertid anvendes i bioremedieringsprocesser under meget kontrollerede forhold på laboratoriet (ved hjælp af bioreaktorer).

Typer af bioremediation

Blandt de anvendte biomedierede bioteknologier er følgende:

biostimulation

Biostimulering består af in situ-stimulering af de mikroorganismer, der allerede findes i miljøet, der var forurenet (autokthonøse mikroorganismer), der er i stand til at bioremediere det kontaminerende stof.

Biostimulering in situ opnås ved at optimere de fysisk-kemiske betingelser for den ønskede fremgangsmåde, dvs. pH, ilt, fugtighed, temperatur, blandt andet, og tilsætning af de nødvendige næringsstoffer.

bioaugmentation

Bioaugmentering involverer at øge mængden af ​​mikroorganismer af interesse (fortrinsvis autokthon) takket være tilsætningen af ​​deres inokler, der er dyrket i laboratoriet.

Efterfølgende, når de mikroorganismer, der er af interesse er blevet inokuleret in situ, skal de fysisk-kemiske betingelser optimeres (såsom ved biostimulering) for at fremme den nedbrydende aktivitet af mikroorganismerne.

Ved anvendelse af bioaugmentering skal omkostningerne ved mikrobiel kultur i bioreaktorer i laboratoriet overvejes.

Både biostimulering og bioaugmentering kan kombineres med alle de andre bioteknologier beskrevet nedenfor.

kompostering

Kompostering består af at blande det forurenede materiale med uforurenet jord suppleret med avlsmidler og næringsstoffer til planter eller dyr. Denne blanding danner kegler op til 3 m høje, fordelt fra hinanden.

Oxygeneringen af ​​keglerne skal kontrolleres gennem deres regelmæssige fjernelse fra et sted til et andet med maskiner. Optimale fugtighedsforhold, temperatur, pH, næringsstoffer blandt andre skal også opretholdes.

bioophobninger

Bioremedieringsteknikken med biopeler er den samme som komposteringsteknikken beskrevet ovenfor, bortset fra:

• Fraværet af avlsmidler af plante- eller animalsk oprindelse.
• Fjernelse af luftning ved bevægelse fra et sted til et andet.

Biopelerne forbliver faste på samme sted og luftes i deres indre lag gennem et rørsystem, hvis omkostninger til installation, drift og vedligeholdelse skal overvejes fra systemets designfase.

landfarming

Bioteknologien kaldet ”landfarming” (oversat fra engelsk: jordbearbejdning af jorden) består af at blande det forurenede materiale (mudder eller sediment) med de første 30 cm uforurenede jord i et stort område.

I de første centimeter jord foretrækkes nedbrydning af forurenende stoffer takket være dens luftning og blanding. Landbrugsmaskiner bruges til disse opgaver, såsom plovtraktorer.

Den største ulempe ved jordbrug er, at det nødvendigvis kræver store landområder, der kan bruges til fødevareproduktion.

fytoremediering

Phytoremediation, også kaldet mikroorganisme og planteassisteret bioremediation, er et sæt bioteknologier baseret på brugen af ​​planter og mikroorganismer til at fjerne, begrænse eller reducere toksiciteten af ​​forurenende stoffer i overfladevand eller underjordisk vand, slam og jord.

Under phytoremediering kan nedbrydning, ekstraktion og / eller stabilisering (fald i biotilgængelighed) af forureningen forekomme. Disse processer afhænger af samspillet mellem planter og mikroorganismer, der lever meget tæt på deres rødder, i et område kaldet rhizosphere.

Figur 2. Bioremediering af vand forurenet med planter og mikroorganismer. Kilde: Wikyhelper, fra Wikimedia Commons

Phytoremediering har været særlig vellykket med fjernelse af tungmetaller og radioaktive stoffer fra jord og overfladevand eller grundvand (eller rhizofiltration af forurenet vand).

I dette tilfælde akkumulerer planterne metallerne fra miljøet i deres væv, hvorefter de høstes og forbrændes under kontrollerede forhold, så forureningsstoffet går fra at blive spredt i miljøet til at blive koncentreret i form af aske.

Den opnåede aske kan behandles for at udvinde metallet (hvis det er af økonomisk interesse) eller kan opgives på steder med endelig bortskaffelse af affald.

En ulempe ved fytoremediering er manglen på dybtgående viden om de interaktioner, der opstår mellem de involverede organismer (planter, bakterier og muligvis mycorrhizal svampe).

På den anden side skal miljøforhold, der tilfredsstiller behovene hos alle påførte organismer, opretholdes.

bioreaktorer

Bioreaktorer er beholdere af betydelig størrelse, som tillader at opretholde meget kontrollerede fysisk-kemiske forhold i vandige kulturmedier med det formål at favorisere en biologisk proces af interesse.

Bakterielle mikroorganismer og svampe kan dyrkes i stor skala i laboratoriet i bioreaktorer og derefter anvendes i bioaugmenteringsprocesser in situ. Mikroorganismer kan også dyrkes i interesse for at opnå deres forurenende nedbrydningsenzymer.

Bioreaktorer bruges i ex situ bioremedieringsprocesser ved at blande det forurenede underlag med det mikrobielle kulturmedium, hvilket favoriserer nedbrydningen af ​​forureningen.

Mikroorganismer dyrket i bioreaktorer kan endda være anaerobe, i hvilket tilfælde det vandige kulturmedium skal være blottet for opløst ilt.

Figur 3. Bioreaktor. Kilde: es.m.wikipedia.org

Blandt biomedieringsbioteknologier er brugen af ​​bioreaktorer relativt dyre på grund af udstyrsvedligeholdelse og krav til mikrobiel kultur.

Microremediation

Brugen af ​​svampe-mikroorganismer (mikroskopiske svampe) i bioremedieringsprocesser af et giftigt kontaminerende stof kaldes mykorremediering.

Det skal overvejes, at dyrkning af mikroskopiske svampe normalt er mere kompleks end bakterier og derfor indebærer højere omkostninger. Endvidere vokser og reproducerer svampe langsommere end bakterier, hvor svampeassisteret bioremediation er en langsommere proces.

Bioremediation versus konventionelle fysiske og kemiske teknologier

-Fordel

Bioremediation-bioteknologier er meget mere økonomiske og miljøvenlige end konventionelt anvendte kemiske og fysiske miljøsaneringsteknologier.

Dette betyder, at anvendelsen af ​​bioremediation har en lavere miljøpåvirkning end konventionel fysisk-kemisk praksis.

På den anden side kan nogle af mikroorganismerne, der anvendes i bioremedieringsprocesser, endda mineralisere de forurenende forbindelser og sikre deres forsvinden fra miljøet, hvilket er vanskeligt at opnå i et enkelt trin med konventionelle fysisk-kemiske processer.

- Ulemper og aspekter at overveje

Mikrobielle metaboliske kapaciteter, der findes i naturen

I betragtning af at kun 1% af de mikroorganismer, der findes i naturen, er blevet isoleret, er en begrænsning af bioremediation netop identifikationen af ​​mikroorganismer, der er i stand til at nedbryde et specifikt kontaminerende stof.

Manglende viden om det anvendte system

På den anden side fungerer bioremediation med et komplekst system med to eller flere levende organismer, som generelt ikke er fuldt ud forstået.

Nogle studerede mikroorganismer har biotransformerede forurenende forbindelser til endnu mere giftige biprodukter. Af denne grund er det nødvendigt at undersøge tidligere biomedieringsorganismer og deres interaktion dybtgående i laboratoriet.

Derudover skal der i små skala udføres pilotforsøg (i marken), før de anvendes massivt, og til sidst skal bioremedieringsprocesserne overvåges in situ for at sikre, at miljøhygienien forekommer korrekt.

Ekstrapolering af resultater opnået i laboratoriet

På grund af den høje kompleksitet af biologiske systemer, kan de resultater, der opnås i lille skala på laboratoriet, ikke altid ekstrapoleres til processer i marken.

Specificiteter ved hver bioremedieringsproces

Hver bioremedieringsproces involverer et specifikt eksperimentelt design i henhold til de særlige betingelser på det forurenede sted, typen af ​​forurenende stof, der skal behandles, og de organismer, der skal påføres.

Det er derefter nødvendigt, at disse processer ledes af tværfaglige grupper af specialister, blandt dem skal være biologer, kemikere, ingeniører, blandt andre.

Opretholdelse af de miljømæssige fysisk-kemiske forhold til fordel for vækst og metabolisk aktivitet af interesse indebærer et permanent arbejde under bioremedieringsprocessen.

Påkrævet tid

Endelig kan bioremedieringsprocesser tage længere tid end konventionelle fysisk-kemiske processer.

Referencer

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediering af kontamineret jord med brugt olie ved hjælp af fjerkræstrøelse. Forskning Tidsskrift i ingeniørvidenskab og anvendte videnskaber3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediation, biostimulation and Bioaugmentation: A Review". Internation Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Faktorer, der begrænser bioremediationsteknologier". Bioresource Technology. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY og Schoeder, D. (1999). Principper for biorecovery. McGraw-Hill Interamericana fra Spanien, Madrid. s. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA og Brock, T. (2015). Brock biologi af mikroorganismer. 14 udg. Benjamin Cummings. s. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Miljøforureningskontrolmikrobiologi. M. Dekker. s. 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Præsten Biol. 56: 15-39.