BIOREMEDIACE: VLASTNOSTI, TYPY, VÝHODY A NEVÝHODY - BIOLOGIE - 2025

Bioremediace je sada biotechnologií sanitace použití metabolické schopnosti bakteriálních mikroorganismů, hub, rostlin a / nebo izolovaných enzymů, k odstranění znečišťujících látek v půdě a vodě.

Mikroorganismy (bakterie a houby) a některé rostliny mohou biotransformovat širokou škálu znečišťujících a toxických organických sloučenin, dokud nejsou škodlivé nebo neškodné. Mohou dokonce biodegradovat některé organické sloučeniny na jejich nejjednodušší formy, jako je metan (CH ₄) a oxid uhličitý (CO ₂).

Obrázek 1. Kontaminace životního prostředí ropnou skvrnou, později ošetřená bioremediací. Zdroj: commons.wikimedia.org

Některé mikroorganismy a rostliny mohou také extrahovat nebo imobilizovat toxické chemické prvky, jako jsou těžké kovy, v životním prostředí (in situ). Imobilizací toxické látky do životního prostředí již není k dispozici živým organismům, a proto na ně nemá vliv.

Snížení biologické dostupnosti toxické látky je proto také formou bioremediace, i když neznamená odstranění látky z prostředí.

V současné době roste vědecký a obchodní zájem o vývoj ekonomických technologií a technologií s nízkým dopadem na životní prostředí (nebo „šetrných k životnímu prostředí“), jako je bioremediace povrchových a podzemních vod, kalů a kontaminovaných půd.

Charakteristika bioremediace

Kontaminanty, které mohou být bioremediaovány

Mezi znečišťující látky, které jsou bioremediací, patří mimo jiné těžké kovy, radioaktivní látky, toxické organické znečišťující látky, výbušné látky, organické sloučeniny získané z oleje (polyaromatické uhlovodíky nebo HPA), fenoly.

Fyzikálně-chemické podmínky během bioremediace

Protože bioremediační procesy závisí na aktivitě mikroorganismů a živých rostlin nebo jejich izolovaných enzymů, musí být pro každý organismus nebo enzymatický systém udržovány vhodné fyzikálně-chemické podmínky, aby se optimalizovala jejich metabolická aktivita v bioremediačním procesu.

Faktory, které mají být optimalizovány a udržovány během procesu bioremediace

- Koncentrace a biologická dostupnost znečišťující látky v podmínkách prostředí: protože je-li příliš vysoká, může být škodlivá pro stejné mikroorganismy, které mají schopnost je biotransformovat.

- Vlhkost: dostupnost vody je nezbytná jak pro živé organismy, tak pro enzymatickou aktivitu biologických katalyzátorů bez buněk. Obecně by měla být v půdách podstupujících bioremediaci udržována relativní vlhkost 12 až 25%.

- Teplota: musí být v rozsahu, který umožňuje přežití použitých organismů a / nebo požadovanou enzymatickou aktivitu.

- Biologicky dostupné živiny: nezbytné pro růst a množení sledovaných mikroorganismů. Musí být kontrolovány hlavně uhlík, fosfor a dusík a některé důležité minerály.

- Kyslost nebo zásaditost vodného média nebo pH (měření H ⁺ iontů v médiu).

- Dostupnost kyslíku: ve většině bioremediačních technik se používají aerobní mikroorganismy (například při kompostování, biopilotech a „landfarming“) a je nezbytné provzdušňování substrátu. Anaerobní mikroorganismy však mohou být použity v bioremediačních procesech, za velmi kontrolovaných podmínek v laboratoři (pomocí bioreaktorů).

Druhy bioremediace

Mezi aplikované bioremediační biotechnologie patří:

Biostimulace

Biostimulace spočívá v in situ stimulaci těch mikroorganismů, které již jsou přítomny v kontaminovaném prostředí (autochtonní mikroorganismy), schopném bioremediaci kontaminující látky.

Biostimulace in situ se dosáhne optimalizací fyzikálně-chemických podmínek pro požadovaný proces, tj. pH, kyslík, vlhkost, teplota, mimo jiné, a přidávání potřebných živin.

Bioaugmentace

Bioaugmentace zahrnuje zvýšení množství požadovaných mikroorganismů (nejlépe autochtonních) díky přidání jejich inokula pěstovaných v laboratoři.

Poté, co byly mikroorganismy, které jsou předmětem zájmu, naočkovány in situ, musí být fyzikálně-chemické podmínky optimalizovány (například v biostimulaci), aby se podpořila degradující aktivita mikroorganismů.

Při aplikaci bioaugmentace je třeba vzít v úvahu náklady na mikrobiální kultivaci v bioreaktorech v laboratoři.

Biostimulaci i bioaugmentaci lze kombinovat se všemi dalšími biotechnologiemi popsanými níže.

Kompostování

Kompostování spočívá ve smíchání kontaminovaného materiálu s nekontaminovanou půdou doplněnou rostlinnými nebo živočišnými původci a živinami. Tato směs tvoří kužele až 3 m vysoké, od sebe vzdálené.

Okysličení spodních vrstev kuželů musí být řízeno jejich pravidelným odstraňováním z jednoho místa na druhé pomocí strojního zařízení. Rovněž musí být zachovány optimální podmínky vlhkosti, teploty, pH, živin.

Biopily

Technika bioremediace s biopily je stejná jako výše popsaná technika kompostování, s výjimkou:

• Absence šlechtitelských rostlin rostlinného nebo živočišného původu.
• Odstranění provzdušňování pohybem z jednoho místa na druhé.

Biopily zůstávají fixovány na stejném místě a jsou ve svých vnitřních vrstvách provzdušňovány potrubím, jehož náklady na instalaci, provoz a údržbu musí být zohledněny od fáze návrhu systému.

Landfarming

Biotechnologie zvaná „landfarming“ (přeloženo z angličtiny: obdělávání půdy) spočívá ve smíchání kontaminovaného materiálu (bláta nebo sediment) s prvními 30 cm nekontaminované půdy velké plochy.

V těchto prvních centimetrech půdy je podporována degradace znečišťujících látek díky jeho provzdušňování a míchání. K těmto úkolům se používají zemědělské stroje, jako jsou pluhy.

Hlavní nevýhodou landfarmingu je, že nutně vyžaduje velké plochy půdy, které by mohly být použity pro výrobu potravin.

Fytoremediace

Fytoremediace, také nazývaná bioremediace s mikroorganismy a rostlinami, je soubor biotechnologií založených na použití rostlin a mikroorganismů k odstranění, omezování nebo snížení toxicity znečišťujících látek v povrchových nebo podzemních vodách, kalech a půdách.

Během fytoremediace může dojít k degradaci, extrakci a / nebo stabilizaci (snížení biologické dostupnosti) kontaminantu. Tyto procesy závisí na interakcích mezi rostlinami a mikroorganismy, které žijí velmi blízko ke svým kořenům, v oblasti zvané rhizosféra.

Obrázek 2. Bioremediace vody kontaminované rostlinami a mikroorganismy. Zdroj: Wikyhelper, z Wikimedia Commons

Fytoremediace byla zvláště úspěšná při odstraňování těžkých kovů a radioaktivních látek z půdy a povrchových nebo podzemních vod (nebo rhizofiltrace kontaminované vody).

V tomto případě rostliny hromadí kovy z okolního prostředí ve svých tkáních a poté se sklízí a spálí za kontrolovaných podmínek, takže znečišťující látka přechází z rozptýlení v prostředí na koncentraci ve formě popela.

Získaný popel může být zpracován za účelem regenerace kovu (pokud je to v ekonomickém zájmu), nebo může být opuštěn v místech konečného odstranění odpadu.

Nevýhodou fytoremediace je nedostatek důkladných znalostí o interakcích, ke kterým dochází mezi dotčenými organismy (rostliny, bakterie a případně mykorhizní houby).

Na druhé straně musí být zachovány podmínky prostředí, které uspokojí potřeby všech použitých organismů.

Bioreaktory

Bioreaktory jsou kontejnery značné velikosti, které umožňují udržovat velmi kontrolované fyzikálně-chemické podmínky ve vodném kultivačním médiu s cílem upřednostňovat požadovaný biologický proces.

Bakteriální mikroorganismy a houby mohou být kultivovány ve velkém měřítku v laboratoři v bioreaktorech a poté aplikovány v bioaugmentačních procesech in situ. Mikroorganismy mohou být také pěstovány v zájmu získání jejich enzymů degradujících znečišťující látky.

Bioreaktory se používají v bioremediačních procesech ex situ smícháním kontaminovaného substrátu s mikrobiálním kultivačním médiem, což podporuje degradaci kontaminantu.

Mikroorganismy pěstované v bioreaktorech mohou být dokonce anaerobní, v tomto případě musí být vodné kultivační médium zbaveno rozpuštěného kyslíku.

Obrázek 3. Bioreaktor. Zdroj: es.m.wikipedia.org

Mezi biotechnologiemi bioremediace je používání bioreaktorů relativně drahé z důvodu údržby zařízení a požadavků na mikrobiální kulturu.

Mikroremediace

Použití fungálních mikroorganismů (mikroskopických hub) v bioremediačních procesech toxické znečišťující látky se nazývá mykoremediace.

Mělo by se vzít v úvahu, že kultivace mikroskopických hub je obvykle složitější než kultivace bakterií, a proto vyžaduje vyšší náklady. Kromě toho houby rostou a množí se pomaleji než bakterie, přičemž bioremediace houbami je pomalejší proces.

Bioremediace versus konvenční fyzikální a chemické technologie

-Výhoda

Biotechnologie bioremediace jsou mnohem ekonomičtější a šetrnější k životnímu prostředí než konvenčně používané chemické a fyzikální technologie sanace životního prostředí.

To znamená, že aplikace bioremediace má menší dopad na životní prostředí než konvenční fyzikálně-chemické postupy.

Na druhé straně, mezi mikroorganismy aplikovanými v bioremediačních procesech mohou někteří dokonce zneutralizovat znečišťující látky a zajistit jejich vymizení z prostředí, což je obtížné dosáhnout v jediném kroku konvenčními fyzikálně-chemickými procesy.

- Nevýhody a aspekty, které je třeba zvážit

Mikrobiální metabolické kapacity existující v přírodě

Vzhledem k tomu, že bylo izolováno pouze 1% mikroorganismů existujících v přírodě, je omezením bioremediace právě identifikace mikroorganismů schopných biodegradace specifické kontaminující látky.

Nedostatek znalostí aplikovaného systému

Na druhé straně bioremediace pracuje se složitým systémem dvou nebo více živých organismů, což obecně není zcela pochopeno.

Některé studované mikroorganismy mají biotransformované znečišťující sloučeniny na ještě toxičtější vedlejší produkty. Z tohoto důvodu je nutné v laboratoři dříve důkladně studovat bioremediační organismy a jejich vzájemné interakce.

Kromě toho musí být provedeny pilotní zkoušky v malém měřítku (v terénu) před jejich masovým nasazením a nakonec musí být bioremediační procesy monitorovány in situ, aby bylo zajištěno, že hygiena prostředí probíhá správně.

Extrapolace výsledků získaných v laboratoři

Vzhledem k vysoké složitosti biologických systémů nelze výsledky získané v malém měřítku v laboratoři vždy extrapolovat na polní procesy.

Zvláštnosti každého bioremediačního procesu

Každý bioremediační proces zahrnuje specifický experimentální návrh podle konkrétních podmínek kontaminovaného místa, typu kontaminované látky, která má být ošetřena, a organismů, které mají být použity.

Je tedy nezbytné, aby tyto procesy řídily interdisciplinární skupiny odborníků, mezi nimiž musí být mimo jiné biologové, chemici, inženýři.

Udržování fyzikálně-chemických podmínek prostředí ve prospěch růstu a požadované metabolické aktivity vyžaduje stálou práci během procesu bioremediace.

Potřebný čas

Konečně, bioremediační procesy mohou trvat déle než konvenční fyzikálně-chemické procesy.

Reference

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediace znečištěných půd kontaminovaných ropou pomocí steliva pro drůbež. Research Journal in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediace, biostimulace a bioaugmentace: přehled". Internation Journal of Environment Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Faktory omezující bioremediační technologie". Technologie biologických zdrojů. 74: 63–7. doi: 10,016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY a Schoeder, D. (1999). Principy biologického výzkumu. McGraw-Hill Interamericana Španělska, Madrid. str. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA a Brock, T. (2015). Brock biologie mikroorganismů. 14 ed. Benjamin Cummings. str. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Mikrobiologie pro kontrolu znečištění životního prostředí. M. Dekker. str. 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fytoremediace. Annu. Plant Biol. 56: 15-39.