BIOREMEDIACIJA: SAVYBĖS, TIPAI, PRANAŠUMAI IR TRŪKUMAI - BIOLOGIJA - 2025

Biologinis valymas yra biotechnologijos sanitarijos, parinktas naudojant medžiagų apykaitos galimybes bakterijų mikroorganizmų, grybų, augalų ir / arba išskiria fermentų, pašalinti teršalus dirvožemio ir vandens.

Mikroorganizmai (bakterijos ir grybeliai) ir kai kurie augalai gali biologiškai transformuoti įvairius teršiančius ir toksiškus organinius junginius, kol jie nėra kenksmingi ar nekenksmingi. Jie netgi gali biologiškai skaidyti kai kuriuos organinius junginius iki paprasčiausių formų, tokių kaip metanas (CH ₄ ) ir anglies dioksidas (CO ₂ ).

1 paveikslas. Aplinkos užterštumas išsiliejus naftai, vėliau apdorotas biologiniu valymu Šaltinis: commons.wikimedia.org

Kai kurie mikroorganizmai ir augalai taip pat gali išgauti arba imobilizuoti toksiškus cheminius elementus, tokius kaip sunkieji metalai, aplinkoje (in situ). Imobilizuodamas toksišką medžiagą aplinkoje, ji nebėra prieinama gyviesiems organizmams ir todėl jų nedaro.

Todėl toksinės medžiagos biologinio prieinamumo sumažinimas taip pat yra biologinio atgaivinimo forma, nors tai nereiškia medžiagos pašalinimo iš aplinkos.

Šiuo metu auga mokslinis ir komercinis susidomėjimas plėtojant ekonomiškas ir mažo poveikio aplinkai (arba „ekologiškas“) technologijas, tokias kaip paviršinio ir požeminio vandens, dumblo ir užteršto dirvožemio biologinis valymas.

Bioremeditacijos ypatybės

Teršalai, kuriuos galima biologiškai ištaisyti

Tarp biologiškai perdirbtų teršalų, be kita ko, yra sunkieji metalai, radioaktyviosios medžiagos, toksiški organiniai teršalai, sprogstamosios medžiagos, organiniai junginiai, gauti iš naftos (poliaromatiniai angliavandeniliai arba HPA), fenoliai.

Fizikinės ir cheminės sąlygos bioremeditacijos metu

Kadangi biologinio valymo procesai priklauso nuo mikroorganizmų ir gyvų augalų ar jų išskirtų fermentų aktyvumo, kiekvienam organizmui ar fermentų sistemai reikia palaikyti tinkamas fizikines ir chemines sąlygas, kad būtų galima optimizuoti jų metabolinį aktyvumą biologinio regeneravimo procese.

Veiksniai, kuriuos reikia optimizuoti ir palaikyti viso biologinio valymo proceso metu

- Teršalo koncentracija ir biologinis prieinamumas aplinkos sąlygomis: kadangi jis yra per didelis, jis gali pakenkti tiems patiems mikroorganizmams, kurie geba juos biotransformuoti.

- Drėgmė: gyvų organizmų, taip pat biologinių katalizatorių be ląstelių fermentinis aktyvumas yra būtinas vandens tiekimas. Paprastai dirvožemiuose, kuriuose atliekamas biologinis regeneravimas, turėtų būti palaikoma santykinė drėgmė nuo 12 iki 25%.

- Temperatūra: ji turi būti tokioje diapazone, kad būtų galima išgyventi pritaikytus organizmus ir (arba) būtiną fermentinį aktyvumą.

- Biologiškai prieinamos maistinės medžiagos: būtinos auginant ir dauginantis dominančius mikroorganizmus. Iš esmės reikia kontroliuoti anglį, fosforą ir azotą, taip pat kai kuriuos būtinus mineralus.

- Vandeninės terpės rūgštingumas ar šarmingumas arba pH (terpėje matuojami H ⁺ jonai ).

- Deguonies prieinamumas: daugelyje biologinio valymo metodų naudojami aerobiniai mikroorganizmai (pavyzdžiui, kompostuojant, biopilus ir „atliekant sąvartynus“), todėl substratą būtina aeruoti. Tačiau anaerobiniai mikroorganizmai gali būti naudojami biologinio valymo procesuose, labai kontroliuojamomis sąlygomis laboratorijoje (naudojant bioreaktorius).

Bioremeditacijos tipai

Tarp taikomų biologinio atgaivinimo biotechnologijų yra šios:

Biostimuliacija

Biostimuliaciją sudaro aplinkoje jau esančių užterštų mikroorganizmų (autochtoniniai mikroorganizmai), galinčių biologiškai perdirbti užteršiančią medžiagą, stimuliavimas in situ.

Biostimuliacija in situ pasiekiama optimizuojant fizikines ir chemines sąlygas norimam procesui įvykti, tai yra; pH, deguonis, drėgmė, temperatūra, be kita ko, ir reikalingų maistinių medžiagų pridėjimas.

Bioaugmentacija

Dėl bioaugmentacijos padidėja domimasi mikroorganizmų (geriau autochtoninių) kiekiu, nes pridedami laboratorijoje užauginti jų pasėliai.

Po to, kai dominantys mikroorganizmai bus inokuliuoti in situ, reikia optimizuoti fizikines ir chemines sąlygas (tokias kaip biostimuliacija), kad būtų skatinamas mikroorganizmų ardantis aktyvumas.

Taikant bioaugmentaciją, reikia atsižvelgti į mikroorganizmų auginimo išlaidas bioreaktoriuose laboratorijoje.

Tiek biostimuliacija, tiek bioaugmentacija gali būti derinamos su visomis kitomis toliau aprašytomis biotechnologijomis.

Kompostavimas

Kompostavimą sudaro užterštos medžiagos sumaišymas su neužterštu dirvožemiu, papildytu augalų ar gyvūnų veisimo medžiagomis ir maistinėmis medžiagomis. Šis mišinys sudaro iki 3 m aukščio kūgius, išdėstytus vienas nuo kito.

Apatinių kūgių sluoksnių deguonies prisotinimas turi būti kontroliuojamas, juos reguliariai išvežant iš vienos vietos į kitą mašinomis. Taip pat turi būti palaikomos optimalios drėgmės, temperatūros, pH, maistinių medžiagų sąlygos.

Biopiliai

Bioredagavimo technika su biopilonais yra tokia pati kaip aukščiau aprašyta kompostavimo technika, išskyrus:

• Nėra augalinės ar gyvūninės kilmės selekcinių agentų.
• Aeracijos pašalinimas judant iš vienos vietos į kitą.

Biopiliai išlieka fiksuoti toje pačioje vietoje, o vidiniuose sluoksniuose jie yra aeruojami vamzdžių sistema, kurios įrengimo, eksploatavimo ir priežiūros išlaidos turi būti įvertintos nuo sistemos projektavimo etapo.

Žemės ūkis

Biotechnologiją, vadinamą „žemės dirbimas“ (išvertus iš anglų kalbos: žemės dirbimas), sudaro užterštos medžiagos (purvo ar nuosėdų) sumaišymas su pirmaisiais 30 cm neužteršto dirvožemio dideliame plote.

Pirmaisiais dirvožemio centimetrais teršiančių medžiagų skaidymasis yra palankesnis dėl jos aeracijos ir maišymo. Šioms užduotims atlikti naudojama žemės ūkio technika, tokia kaip plūgo traktoriai.

Pagrindinis žemės ūkio naudmenų trūkumas yra tas, kad tam būtinai reikalingi dideli žemės plotai, kuriuos būtų galima naudoti maistui gaminti.

Fitoremediacija

Fitoremedijacija, dar vadinama mikroorganizmais ir augalų vykdoma biologine remedijacija, yra biotechnologijų rinkinys, pagrįstas augalų ir mikroorganizmų naudojimu, siekiant pašalinti, apriboti ar sumažinti teršiančių medžiagų toksiškumą paviršiniuose ar požeminiuose vandenyse, dumble ir dirvožemyje.

Fitoremediacijos metu gali įvykti teršalų degradacija, ekstrahavimas ir (arba) stabilizavimas (sumažėja biologinis prieinamumas). Šie procesai priklauso nuo augalų ir mikroorganizmų, kurie gyvena labai arti jų šaknų, sąveikos, vadinamos rizosfera, sąveikos.

2 pav. Augalais ir mikroorganizmais užteršto vandens biologinis valymas. Šaltinis: „Wikyhelper“, iš „Wikimedia Commons“

Fitoremediacija buvo ypač sėkminga pašalinant iš dirvožemio ir paviršinio ar požeminio vandens sunkius metalus ir radioaktyviąsias medžiagas (arba užteršto vandens rizofiltracija).

Šiuo atveju augalai kaupia metalus iš aplinkos savo audiniuose, po to nuimami ir sudeginami kontroliuojamomis sąlygomis, kad teršalas iš pasklidimo aplinkoje pereitų į pelenų pavidalą.

Gauti pelenai gali būti apdorojami metalui atgauti (jei tai yra ekonomiškai svarbu), arba gali būti palikti vietoje galutinio atliekų šalinimo vietų.

Fitoremedikacijos trūkumas yra tai, kad trūksta išsamių žinių apie sąveiką, vykstančią tarp dalyvaujančių organizmų (augalų, bakterijų ir galbūt mikorizinių grybų).

Kita vertus, turi būti išlaikytos aplinkos sąlygos, tenkinančios visų taikomų organizmų poreikius.

Bioreaktoriai

Bioreaktoriai yra nemažo dydžio talpyklos, leidžiančios palaikyti labai kontroliuojamas fizikines ir chemines sąlygas vandeninėse kultūrinėse terpėse, siekiant palaikyti dominantį biologinį procesą.

Bakteriniai mikroorganizmai ir grybeliai gali būti kultivuojami dideliu mastu laboratorijoje bioreaktoriuose ir vėliau naudojami in situ bioaugmentacijos procesuose. Mikroorganizmai taip pat gali būti kultivuojami siekiant gauti jų teršalus ardančius fermentus.

Bioreaktoriai naudojami atliekant ex situ biologinio valymo procesus, maišant užterštą substratą su mikrobų kultūrine terpe, skatinant teršalų skilimą.

Mikroorganizmai, auginami bioreaktoriuose, gali būti net anaerobiniai, tokiu atveju vandeninėje auginimo terpėje neturi būti ištirpusio deguonies.

3 pav. Bioreaktorius. Šaltinis: es.m.wikipedia.org

Tarp biologinio regeneravimo biotechnologijų bioreaktorių naudojimas yra gana brangus dėl įrangos priežiūros ir mikrobų kultūros reikalavimų.

Mikroremedijacija

Grybelinių mikroorganizmų (mikroskopinių grybų) panaudojimas toksiško teršalo biologinio valymo procesuose vadinamas mikoremedikacija.

Reikėtų manyti, kad mikroskopinių grybelių auginimas paprastai yra sudėtingesnis nei bakterijų, todėl reikalauja didesnių išlaidų. Be to, grybeliai auga ir dauginasi lėčiau nei bakterijos; lėtesnis procesas yra grybelis.

Bioremediacija, palyginti su įprastomis fizikinėmis ir cheminėmis technologijomis

-Pagalba

Biologinio valymo biotechnologijos yra daug ekonomiškesnės ir ekologiškesnės nei tradiciškai naudojamos cheminės ir fizinės aplinkos sanitarijos technologijos.

Tai reiškia, kad biologinio atgaivinimo taikymas daro mažesnį poveikį aplinkai nei įprasta fizikocheminė praktika.

Kita vertus, tarp mikroorganizmų, naudojamų biologinio regeneravimo procesuose, kai kurie netgi gali mineralizuoti teršiančius junginius, užtikrindami jų išnykimą iš aplinkos, ką sunku pasiekti vienu žingsniu naudojant įprastus fizikinius ir cheminius procesus.

Trūkumai ir aspektai, į kuriuos reikia atsižvelgti

Gamtoje esantys mikrobų metaboliniai gebėjimai

Atsižvelgiant į tai, kad tik 1% gamtoje egzistuojančių mikroorganizmų buvo išskirti, biologinio valymo apribojimas yra būtent mikroorganizmų, galinčių biologiškai skaidyti tam tikrą užteršiančią medžiagą, nustatymas.

Trūksta žinių apie taikomą sistemą

Kita vertus, bioremeditacija veikia su sudėtinga dviejų ar daugiau gyvų organizmų sistema, kuri paprastai nėra iki galo suprantama.

Kai kurie tirti mikroorganizmai biologiškai pavertė teršiančius junginius į dar toksiškesnius šalutinius produktus. Dėl šios priežasties būtina anksčiau laboratorijoje nuodugniai ištirti bioremediacijos organizmus ir jų sąveiką.

Be to, prieš pradedant masiškai juos naudoti, reikia atlikti nedidelio masto bandomuosius bandymus (lauke), o galiausiai reikia stebėti biologinio valymo procesus vietoje, kad būtų užtikrinta, jog aplinkos sanitarija vyksta tinkamai.

Laboratorijoje gautų rezultatų ekstrapoliacija

Dėl didelio biologinių sistemų sudėtingumo nedidelio masto laboratorijoje gauti rezultatai ne visada gali būti ekstrapoliuoti lauko procesams.

Kiekvieno biologinio regeneravimo proceso ypatumai

Kiekvienas biologinio valymo procesas apima specifinį eksperimentinį planą, atsižvelgiant į konkrečias užterštos vietos sąlygas, valomo teršalo tipą ir naudojamus organizmus.

Tuomet šiuos procesus turi nukreipti tarpdisciplininės specialistų grupės, tarp kurių turi būti biologai, chemikai, inžinieriai.

Aplinkos fizikinių ir cheminių sąlygų palaikymas, siekiant palankių augimui ir metaboliniam aktyvumui, reiškia nuolatinį darbą biologinio valymo proceso metu.

Reikia laiko

Galiausiai, biologinio valymo procesai gali užtrukti ilgiau nei įprasti fizikiniai ir cheminiai procesai.

Nuorodos

1. Adamsas, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Panaudoto aliejaus užteršto dirvožemio biologinis valymas naudojant paukštienos kraiką. Inžinerijos ir taikomųjų mokslų tyrimų žurnalas3 (2) 124–130
2. Adamsas, O. (2015). „Bioremediacija, biostimuliacija ir bioaugmentacija: apžvalga“. Tarptautinis aplinkos biologinio taisymo ir biologinio skaidymo žurnalas. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). „Veiksniai, ribojantys bioremediacijos technologijas“. Bioresursų technologija. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY ir Schoeder, D. (1999). Bioregeneravimo principai. „McGraw-Hill Interamericana“ iš Ispanijos, Madridas. p. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA ir Brock, T. (2015). Brock mikroorganizmų biologija. 14 red. Benjaminas Cummingsas. 1041 psl.
6. McKinney, RE (2004). Aplinkos taršos kontrolės mikrobiologija. M. Dekkeris. 453 psl.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Augalų biologija, 56: 15-39.