Bioremediacja - Bioremediation

Bioremediacja to proces stosowany do oczyszczania skażonych mediów, w tym wody, gleby i materiału podpowierzchniowego, poprzez zmianę warunków środowiskowych w celu stymulowania wzrostu mikroorganizmów i degradacji docelowych zanieczyszczeń. Przypadkami, w których powszechnie obserwuje się bioremediację, są wycieki ropy naftowej, gleby zanieczyszczone kwaśnym drenażem górniczym, wycieki podziemnych rur i sprzątanie miejsc przestępstw. Te toksyczne związki są metabolizowane przez enzymy obecne w mikroorganizmach. Większość procesów bioremediacji obejmuje reakcje utleniania-redukcji, w których dodawany jest albo akceptor elektronów (zwykle tlen), aby stymulować utlenianie zredukowanego zanieczyszczenia (np. węglowodorów), albo donor elektronów (zwykle substrat organiczny) w celu zmniejszenia utlenionych zanieczyszczeń (azotan, nadchloran). , utlenione metale, chlorowane rozpuszczalniki, materiały wybuchowe i propelenty). Bioremediację stosuje się w celu zmniejszenia wpływu produktów ubocznych powstających w wyniku działalności antropogenicznej, takiej jak procesy uprzemysłowienia i rolnictwa. W wielu przypadkach bioremediacja jest tańsza i bardziej zrównoważona niż inne alternatywy remediacji . Inne techniki remediacji obejmują desorpcję termiczną , zeszklenie , oczyszczanie powietrzem , bioługowanie , ryzofiltrację i płukanie gleby. Oczyszczanie biologiczne, bioremediacja, jest podobnym podejściem stosowanym do przetwarzania odpadów, w tym ścieków, odpadów przemysłowych i odpadów stałych. Ostatecznym celem bioremediacji jest usunięcie lub redukcja szkodliwych związków w celu poprawy jakości gleby i wody.

Zanieczyszczenia można usunąć lub zredukować za pomocą różnych technik bioremediacji, które są in-situ lub ex-situ . Techniki bioremediacji są klasyfikowane na podstawie lokalizacji leczenia. Techniki in-situ traktują zanieczyszczone miejsca w sposób nieniszczący i opłacalny. Natomiast techniki ex situ zwykle wymagają wykopania skażonego terenu, co zwiększa koszty. W obu tych podejściach można dodać dodatkowe składniki odżywcze, witaminy, minerały i bufory pH, aby zoptymalizować warunki dla mikroorganizmów. W niektórych przypadkach dodawane są wyspecjalizowane kultury drobnoustrojów ( biostymulacja ) w celu dalszego zwiększenia biodegradacji . Niektóre przykłady technologii związanych z bioremediacją to fitoremediacja , bioodpowietrzanie , bioatenuacja , biosparowanie , kompostowanie (biopale i pryzmy) oraz rolnictwo .

Chemia

Większość procesów bioremediacji obejmuje reakcje utleniania-redukcji ( redoks ), w których indywiduum chemiczne przekazuje elektron ( donor elektronów ) innemu indywiduum, które przyjmuje elektron ( akceptor elektronów ). Podczas tego procesu donor elektronów jest utleniany, podczas gdy akceptor elektronów jest redukowany. Powszechne akceptory elektronów w procesach bioremediacji obejmują tlen , azotan , mangan (III i IV), żelazo (III), siarczan , dwutlenek węgla i niektóre zanieczyszczenia (rozpuszczalniki chlorowane, materiały wybuchowe, utlenione metale i radionuklidy). Donory elektronów obejmują cukry, tłuszcze, alkohole, naturalny materiał organiczny, węglowodory paliwowe i różne zredukowane zanieczyszczenia organiczne. Potencjał redoks dla typowych reakcji biotransformacji przedstawiono w tabeli.

Proces Reakcja Potencjał redoks (E h w mV )
aerobik O 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O 600 ~ 400
beztlenowy
denitryfikacja 2NO 3 + 10e + 12H + → N 2 + 6H 2 O 500 ~ 200
redukcja manganu IV MnO 2 + 2e + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O 400 ~ 200
redukcja żelaza III Fe(OH) 3 + e + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O 300 ~ 100
redukcja siarczanu SO 4 2− + 8e +10 H + → H 2 S + 4H 2 O 0 ~ -150
fermentacja 2CH 2 o → CO 2 + CH 4 −150 ~ −220

Techniki in situ

Wizualna reprezentacja pokazująca bioremediację in-situ . Proces ten polega na dodawaniu tlenu, składników odżywczych lub drobnoustrojów do skażonej gleby w celu usunięcia toksycznych zanieczyszczeń. Zanieczyszczenie obejmuje zakopane odpady i wycieki z podziemnych rur, które przenikają do systemów wód gruntowych. Dodatek tlenu usuwa zanieczyszczenia, wytwarzając dwutlenek węgla i wodę.

Bioodpowietrzanie

Bioodpowietrzanie to proces, który zwiększa przepływ tlenu lub powietrza do nienasyconej strefy gleby, co z kolei zwiększa tempo naturalnej degradacji in situ docelowego zanieczyszczenia węglowodorowego. Bioodpowietrzanie, tlenowa bioremediacja, jest najczęstszą formą procesu bioremediacji oksydacyjnej, w której tlen jest dostarczany jako akceptor elektronów do utleniania ropy naftowej , węglowodorów poliaromatycznych (WWA), fenoli i innych zredukowanych zanieczyszczeń. Tlen jest ogólnie korzystnym akceptorem elektronów ze względu na wyższą wydajność energetyczną i ponieważ tlen jest wymagany dla niektórych układów enzymatycznych do zainicjowania procesu degradacji. Mikroorganizmy mogą rozkładać wiele różnych węglowodorów, w tym składniki benzyny, nafty, oleju napędowego i paliwa do silników odrzutowych. W idealnych warunkach tlenowych szybkość biodegradacji związków alifatycznych , alicyklicznych i aromatycznych o niskiej lub średniej masie może być bardzo wysoka. Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej związku wzrasta jednocześnie odporność na biodegradację. Skutkuje to wyższymi zanieczyszczonymi lotnymi związkami ze względu na ich wysoką masę cząsteczkową i zwiększoną trudność w usuwaniu ze środowiska.

Większość procesów bioremediacji obejmuje reakcje utleniania-redukcji, w których dodawany jest albo akceptor elektronów (zwykle tlen) w celu stymulowania utleniania zredukowanego zanieczyszczenia (np. węglowodorów) albo donor elektronów (zwykle substrat organiczny) w celu zmniejszenia utlenionych zanieczyszczeń (azotan, nadchloran). , utlenione metale, chlorowane rozpuszczalniki, materiały wybuchowe i propelenty). W obu tych podejściach można dodać dodatkowe składniki odżywcze, witaminy, minerały i bufory pH, aby zoptymalizować warunki dla mikroorganizmów. W niektórych przypadkach dodawane są wyspecjalizowane kultury drobnoustrojów ( bioaugmentacja ), aby jeszcze bardziej zwiększyć biodegradację.

Podejścia do dodawania tlenu poniżej zwierciadła wody obejmują recyrkulację napowietrzonej wody przez strefę uzdatniania, dodawanie czystego tlenu lub nadtlenków oraz napowietrzanie . Systemy recyrkulacji zazwyczaj składają się z kombinacji studni lub chodników wstrzykiwania i jednej lub więcej studni regeneracyjnych, w których wydobyte wody gruntowe są oczyszczane, natleniane, uzupełniane składnikami odżywczymi i ponownie wtłaczane. Jednak ilość tlenu, którą można dostarczyć tą metodą, jest ograniczona przez niską rozpuszczalność tlenu w wodzie (8 do 10 mg/l dla wody w równowadze z powietrzem w typowych temperaturach). Większe ilości tlenu można uzyskać, kontaktując się z wodą z czystym tlenem lub dodanie nadtlenku wodoru (H 2 O 2 ) do wody. W niektórych przypadkach zawiesiny stałego nadtlenku wapnia lub magnezu są wtryskiwane pod ciśnieniem przez odwierty w gruncie. Te stałe nadtlenki reagują z wodą uwalniając H 2 O 2 , który następnie rozkłada się uwalniając tlen. Rozpuszczanie powietrza polega na wstrzykiwaniu powietrza pod ciśnieniem poniżej zwierciadła wody. Ciśnienie wtrysku powietrza musi być wystarczająco duże, aby pokonać hydrostatyczne ciśnienie wody i opór przepływu powietrza przez grunt.

Biostymulacja

Bioremediacja może być prowadzona przez bakterie naturalnie występujące w środowisku lub dodając składniki odżywcze, proces ten nazywamy biostymulacją.

Bakterie, zwane również mikrobiami, występują naturalnie w środowisku i służą do degradacji węglowodorów. Wiele procesów biologicznych jest wrażliwych na pH i działa najskuteczniej w warunkach zbliżonych do obojętnych. Niskie pH może zakłócać homeostazę pH lub zwiększać rozpuszczalność metali toksycznych. Mikroorganizmy mogą zużywać energię komórkową w celu utrzymania homeostazy lub warunki cytoplazmatyczne mogą się zmieniać w odpowiedzi na zewnętrzne zmiany pH. Beztlenowce przystosowały się do warunków niskiego pH poprzez zmiany w przepływie węgla i elektronów, morfologii komórkowej, strukturze błony i syntezie białek.

Bioremediacja z wykorzystaniem drobnoustrojów działa dzięki wykorzystaniu konsorcjum drobnoustrojów . W tym kontekście konsorcjum drobnoustrojów to symbiotycznie powiązana populacja drobnoustrojów, które przeżywają dzięki wykorzystaniu wtórnych metabolitów otaczających je gatunków. Poszczególne gatunki drobnoustrojów na ogół nie są w stanie w pełni rozłożyć złożonych cząsteczek, ale mogą być w stanie częściowo rozłożyć związek. Inna część tej częściowo strawionej cząsteczki może zostać rozłożona przez inne gatunki w konsorcjach, co może być powtarzane, aż zanieczyszczenie środowiska zostanie rozłożone na nieszkodliwe produkty uboczne.

Przykład biostymulacji w warstwie wodonośnej Snake River Plain w Idaho. Proces ten obejmuje dodanie serwatki w proszku, aby promować wykorzystanie naturalnie występujących bakterii. Serwatka w proszku działa jak substrat wspomagający rozwój bakterii. W tym miejscu mikroorganizmy rozkładają rakotwórczy związek trichloroetylen (TCE), co jest procesem obserwowanym w poprzednich badaniach.

W przypadku biostymulacji, dodawanie składników odżywczych, które są ograniczone, aby środowisko było bardziej odpowiednie do bioremediacji, można dodać do systemu składniki odżywcze, takie jak azot, fosfor, tlen i węgiel, aby poprawić skuteczność oczyszczania. Substancje odżywcze są wymagane do biodegradacji zanieczyszczeń olejowych i mogą być stosowane do zmniejszenia negatywnego wpływu na środowisko. W przypadku wycieków ropy naftowej, azot i fosfor są kluczowymi składnikami odżywczymi w procesie biodegradacji.

Wiele procesów biologicznych jest wrażliwych na pH i działa najskuteczniej w warunkach zbliżonych do obojętnych. Niskie pH może zakłócać homeostazę pH lub zwiększać rozpuszczalność metali toksycznych. Mikroorganizmy mogą zużywać energię komórkową w celu utrzymania homeostazy lub warunki cytoplazmatyczne mogą się zmieniać w odpowiedzi na zewnętrzne zmiany pH. Niektóre beztlenowce przystosowały się do warunków niskiego pH poprzez zmiany w przepływie węgla i elektronów, morfologii komórkowej, strukturze błony i syntezie białek.

Beztlenowa bioremediacja może być stosowana do leczenia szerokiej gamy utlenionych zanieczyszczeń, w tym chlorowanych etylenów ( PCE , TCE , DCE , VC) , chlorowanych etanów ( TCA , DCA ), chlorometanów ( CT , CF ), chlorowanych węglowodorów cyklicznych, różnych energetyki (np. nadchloran , RDX , TNT ) i azotan . Proces ten obejmuje dodanie donora elektronów do: 1) zubożenia akceptorów elektronów tła, w tym tlenu, azotanów, utlenionego żelaza, manganu i siarczanu; oraz 2) stymulować biologiczną i/lub chemiczną redukcję utlenionych zanieczyszczeń. Sześciowartościowy chrom (Cr[VI]) i uran (U[VI]) można zredukować do postaci mniej ruchliwych i/lub mniej toksycznych (np. Cr[III], U[IV]). Podobnie redukcja siarczanu do siarczku (sulfidogeneza) może być stosowana do wytrącania niektórych metali (np. cynku , kadmu ). Wybór podłoża i metody iniekcji zależą od rodzaju i rozmieszczenia zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej, hydrogeologii i celów remediacji. Substrat można dodać przy użyciu konwencjonalnych instalacji studni, technologii bezpośredniego wypychania lub przez wykopy i zasypanie, takie jak przepuszczalne bariery reaktywne (PRB) lub biościany. Produkty o powolnym uwalnianiu składające się z olejów jadalnych lub stałych substratów mają tendencję do pozostawania na miejscu przez dłuższy okres leczenia. Substraty rozpuszczalne lub rozpuszczalne produkty fermentacji substratów o powolnym uwalnianiu mogą potencjalnie migrować przez adwekcję i dyfuzję, zapewniając szersze, ale krócej trwające strefy leczenia. Dodawane substraty organiczne pierwszej fermentacji wodoru (H 2 ) i lotnych kwasów tłuszczowych (VFAs). VFA, w tym octan, mleczan, propionian i maślan, dostarczają węgiel i energię do metabolizmu bakterii.

Bioatenuacja

Podczas bioatenuacji biodegradacja zachodzi naturalnie z dodatkiem składników odżywczych lub bakterii. Obecne miejscowe drobnoustroje determinują aktywność metaboliczną i działają jako naturalne tłumienie. Chociaż nie ma antropogenicznego zaangażowania w bioatenuację, skażone miejsce należy nadal monitorować.

Biospalanie

Biosparting to proces rekultywacji wód gruntowych polegający na wstrzykiwaniu tlenu i ewentualnych składników odżywczych. Po wstrzyknięciu tlenu rodzime bakterie są stymulowane do zwiększenia tempa degradacji. Jednak biosparging koncentruje się na nasyconych strefach skażonych, szczególnie związanych z rekultywacją wód gruntowych.

Techniki ex situ

Biopile

Biopale, podobnie jak biowentylacja, są wykorzystywane do redukcji zanieczyszczeń ropopochodnych poprzez wprowadzanie węglowodorów tlenowych do zanieczyszczonych gleb. Jednak gleba jest wykopywana i spiętrzana za pomocą systemu napowietrzania. Ten system napowietrzania zwiększa aktywność drobnoustrojów poprzez wprowadzanie tlenu pod ciśnieniem dodatnim lub usuwanie tlenu pod ciśnieniem ujemnym.

Pokosy

Dawna rafineria Shell Haven w Standford-le-Hope, która została poddana bioremediacji w celu zmniejszenia obszaru skażonego ropą. Do promowania transferu tlenu wykorzystano techniki bioremediacji, takie jak pryzmy. Rafineria wydobyła około 115 000 m 3 skażonej gleby.

Systemy pokosów są podobne do technik kompostowych, w których gleba jest okresowo przewracana w celu zwiększenia napowietrzania. To okresowe obracanie pozwala również na równomierne rozprowadzanie zanieczyszczeń obecnych w glebie, co przyspiesza proces bioremediacji.

Gruntów rolnych

Rolnictwo lub oczyszczanie terenu to metoda powszechnie stosowana w przypadku wycieków osadów. Ta metoda rozprasza zanieczyszczoną glebę i napowietrza glebę poprzez cykliczne obracanie. Proces ten polega na zastosowaniu powyżej gruntu, a skażone gleby muszą być płytkie, aby stymulować aktywność drobnoustrojów. Jeśli jednak skażenie jest głębsze niż 5 stóp, wówczas gleba musi zostać wykopana na powierzchnię.

Metale ciężkie

Metale ciężkie stają się obecne w środowisku w wyniku działalności antropogenicznej lub czynników naturalnych. Działalność antropogeniczna obejmuje emisje przemysłowe, odpady elektroniczne i wydobycie rudy. Czynniki naturalne obejmują wietrzenie minerałów, erozję gleby i pożary lasów. Metale ciężkie, w tym kadm, chrom, ołów i uran, różnią się od związków organicznych i nie ulegają biodegradacji. Jednak procesy bioremediacji można potencjalnie wykorzystać do zmniejszenia mobilności tych materiałów pod powierzchnią, zmniejszając potencjalne narażenie ludzi i środowiska. Metale ciężkie z tych czynników są obecne głównie w źródłach wody z powodu spływu, gdzie są pobierane przez faunę i florę morską.

Mobilność niektórych metali, w tym chromu (Cr) i uranu (U), zmienia się w zależności od stopnia utlenienia materiału. Mikroorganizmy można wykorzystać do zmniejszenia toksyczności i mobilności chromu poprzez redukcję sześciowartościowego chromu Cr(VI) do trójwartościowego Cr(III). Uran można zredukować z bardziej ruchliwego stanu utlenienia U(VI) do mniej ruchliwego stanu utlenienia U(IV). W procesie tym wykorzystywane są mikroorganizmy, ponieważ tempo redukcji tych metali jest często powolne, o ile nie jest katalizowane przez interakcje drobnoustrojów. Trwają również badania nad opracowaniem metod usuwania metali z wody poprzez zwiększenie sorpcji metalu do ścian komórkowych. To podejście zostało ocenione pod kątem obróbki kadmu, chromu i ołowiu. Procesy fitoekstrakcji koncentrują zanieczyszczenia w biomasie do późniejszego usunięcia.

Pestycydy

Z różnych herbicydy i inne pestycydy, zarówno aerobic- i beztlenowych - heterotrofy okazały się skuteczne, w tym Flavobacterium sp. i Arthrobacter spp. Aeroby są podstawowym wyborem dla związków fosforoorganicznych i substancji niechlorowanych . Struktury chlorowane (najczęściej DDT , DDE (dichlorodifenylodichloroetylen) , heptachlor , dieldryna i chlordan ) są trudne do prawdziwego detoksykacji, ale triazyny i organofosforany (w tym malation i paration ) są stosunkowo łatwiejsze do znalezienia. Jest to szczególnie przydatne w przypadku atrazyny (triazyny), która wcześniej była notorycznie uporczywa.

Ograniczenia bioremediacji

Bioremediacja może być wykorzystana do całkowitej mineralizacji zanieczyszczeń organicznych, częściowego przekształcenia zanieczyszczeń lub zmiany ich mobilności. Metale ciężkie i radionuklidy to pierwiastki, które nie mogą ulegać biodegradacji, ale mogą ulegać biotransformacji do mniej mobilnych form. W niektórych przypadkach drobnoustroje nie w pełni mineralizują zanieczyszczenie, potencjalnie wytwarzając bardziej toksyczny związek. Na przykład, w beztlenowych warunkach redukcyjnej dehalogenacji z TCE może wytwarzać dichloroetylen (DCE) i chlorek winylu (VC), które są podejrzane lub znane substancje rakotwórcze . Jednak mikroorganizm Dehalococcoides może dalej redukować DCE i VC do nietoksycznego produktu etenowego. Konieczne są dodatkowe badania w celu opracowania metod zapewniających, że produkty z biodegradacji są mniej trwałe i mniej toksyczne niż pierwotne zanieczyszczenie. Dlatego muszą być znane szlaki metaboliczne i chemiczne mikroorganizmów będących przedmiotem zainteresowania. Ponadto znajomość tych ścieżek pomoże w opracowaniu nowych technologii, które mogą radzić sobie z miejscami, w których występuje nierównomierna dystrybucja mieszaniny zanieczyszczeń.

Ponadto, aby doszło do biodegradacji, musi istnieć populacja drobnoustrojów z metaboliczną zdolnością do degradacji zanieczyszczeń, środowisko z odpowiednimi warunkami wzrostu dla drobnoustrojów oraz odpowiednią ilością składników odżywczych i zanieczyszczeń. Procesy biologiczne wykorzystywane przez te drobnoustroje są bardzo specyficzne, dlatego też należy wziąć pod uwagę i uregulować wiele czynników środowiskowych. W związku z tym procesy bioremediacji muszą być specjalnie wykonane zgodnie z warunkami w skażonym miejscu. Wiele czynników jest współzależnych, takich jak badania na małą skalę, które zwykle wykonuje się przed przeprowadzeniem procedury w skażonym miejscu. Jednak ekstrapolacja wyników z badań testowych na małą skalę na duże operacje terenowe może być trudna. W wielu przypadkach bioremediacja zajmuje więcej czasu niż inne alternatywy, takie jak składowanie i spalanie . Innym przykładem jest bioodpowietrzanie, które jest niedrogie w bioremediacji skażonych miejsc, jednak proces ten jest rozległy i może zająć kilka lat, aby odkazić miejsce.

 W przemyśle rolniczym stosowanie pestycydów jest głównym czynnikiem bezpośredniego zanieczyszczenia gleby i wód odpływowych. Ograniczeniem lub remediacją pestycydów jest niska biodostępność. Zmiana pH i temperatury skażonej gleby to rozwiązanie na zwiększenie biodostępności, co z kolei zwiększa degradację szkodliwych związków.

Związek akrylonitryl jest powszechnie wytwarzany w warunkach przemysłowych, ale niekorzystnie zanieczyszcza glebę. Mikroorganizmy zawierające hydratazy nitrylowe (NHase) rozkładały szkodliwe związki akrylonitrylowe na substancje niezanieczyszczające.

Ponieważ doświadczenie ze szkodliwymi zanieczyszczeniami jest ograniczone, wymagane są praktyki laboratoryjne w celu oceny skuteczności, projektów leczenia i oszacowania czasu leczenia. Procesy bioremediacji mogą trwać od kilku miesięcy do kilku lat w zależności od wielkości skażonego terenu.

Inżynieria genetyczna

Wykorzystanie inżynierii genetycznej do tworzenia organizmów specjalnie zaprojektowanych do bioremediacji jest w trakcie wstępnych badań. Do organizmu można wprowadzić dwie kategorie genów: geny degradacyjne, które kodują białka niezbędne do degradacji zanieczyszczeń oraz geny reporterowe, które są w stanie monitorować poziom zanieczyszczeń. Wielu przedstawicieli Pseudomonas również zostało zmodyfikowanych za pomocą genu lux, ale w celu wykrycia poliaromatycznego węglowodoru naftalenu. Test terenowy na uwalnianie zmodyfikowanego organizmu zakończył się sukcesem na umiarkowanie dużą skalę.

Istnieją obawy związane z uwalnianiem i zatrzymywaniem organizmów zmodyfikowanych genetycznie do środowiska ze względu na możliwość horyzontalnego transferu genów. Organizmy modyfikowane genetycznie są klasyfikowane i kontrolowane zgodnie z Ustawą o Kontroli Substancji Toksycznych z 1976 r. pod auspicjami Agencji Ochrony Środowiska Stanów Zjednoczonych . W celu rozwiązania tych obaw stworzono środki. Organizmy można modyfikować tak, aby mogły przetrwać i rozwijać się tylko w określonych warunkach środowiskowych. Ponadto śledzenie zmodyfikowanych organizmów można ułatwić dzięki wprowadzeniu genów bioluminescencji w celu identyfikacji wizualnej.

Stworzono genetycznie zmodyfikowane organizmy do usuwania wycieków ropy i rozkładania niektórych tworzyw sztucznych (PET).

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki