Биоремедиация: характеристики, видове, предимства и недостатъци

Биоремедиацията е набор от биотехнологии за екологична хигиена, които използват метаболичния капацитет на бактериални микроорганизми, гъби, растения и / или техните изолирани ензими, за да елиминират замърсителите в почвата и водата.

Микроорганизмите (бактерии и гъбички) и някои растения могат да трансформират биотрансформата в голямо разнообразие от токсични и замърсяващи органични съединения, което ги прави невредими или безвредни. Те дори могат да биоразграждат някои органични съединения до най-простите им форми, като метан (CH ₄ ) и въглероден диоксид (CO ₂ ).

Също така някои микроорганизми и растения могат да извличат или имобилизират в околната среда ( in situ) токсични химични елементи, като тежки метали. Чрез имобилизиране на токсичното вещество в околната среда, тя вече не е достъпна за живите организми и следователно не ги засяга.

Следователно, намаляването на бионаличността на токсично вещество също е форма на биоремедиация, въпреки че не предполага елиминиране на веществото от средата.

Понастоящем има нарастващ научен и търговски интерес за разработване на икономически технологии с ниско въздействие върху околната среда (или „екологично чисти“), като например биоремедиация на повърхностни води, подземни води, утайки и замърсени почви.

Характеристики на биоремедиацията

Замърсители, които могат да бъдат биоремедиатирани

Сред замърсителите, които са били биоремедиатирани, са тежки метали, радиоактивни вещества, токсични органични замърсители, взривни вещества, органични съединения, извлечени от петрол (полиароматни въглеводороди или HPAs), феноли и др.

Физикохимични условия по време на биоремедиация

Тъй като процесите на биоремедиация зависят от активността на микроорганизмите и живите растения или техните изолирани ензими, трябва да се запазят подходящите физикохимични условия за всеки организъм или ензимна система, за да се оптимизира тяхната метаболитна активност в процеса на биоремедиация.

Фактори, които трябва да бъдат оптимизирани и поддържани през целия процес на биоремедиация

- Концентрацията и бионаличността на замърсителя при условия на околната среда: защото, ако е твърде висока, тя може да бъде вредна за същите микроорганизми, които имат способността да ги трансформират.

- Влажността: наличието на вода е от съществено значение за живите организми, както и за ензимната активност на безклетъчни биологични катализатори. Като цяло, относителна влажност от 12 до 25% трябва да се поддържа в почви, подложени на биоремедиация.

- Температурата трябва да бъде в диапазона, който позволява оцеляването на прилаганите организми и / или необходимата ензимна активност.

-Биологичните хранителни вещества: от съществено значение за растежа и размножаването на интересуващите микроорганизми. Трябва да се контролира главно въглерод, фосфор и азот, както и някои основни минерали.

-Киселинност или алкалност на водната среда или рН (измерване на H + йони в средата).

- Наличие на кислород: в повечето техники за биоремедиация се използват аеробни микроорганизми (например при компостиране, биопили и ферми ), аерирането на субстрата е необходимо. Въпреки това, анаеробните микроорганизми могат да бъдат използвани в процесите на биоремедиация при силно контролирани лабораторни условия (с използване на биореактори).

Видове биоремедиация

Сред прилаганите биомедицински биотехнологии са следните:

биостимулация

Биостимулацията се състои в стимулиране in situ на онези микроорганизми, които вече присъстват в средата, която е замърсена (автохтонни микроорганизми), способни да биоремедират замърсяващото вещество.

Биостимулирането in situ се постига чрез оптимизиране на физикохимичните условия за настъпване на желания процес, т.е. рН, кислород, влажност, температура и др. и добавяне на необходимите хранителни вещества.

bioaugmentation

Биоаугментацията предполага увеличаване на количеството микроорганизми, които представляват интерес (за предпочитане автохтонни), благодарение на добавянето на техните инокулуми, култивирани в лабораторията.

Впоследствие, след като се инокулират микроорганизми, представляващи интерес in situ, физико-химичните условия трябва да бъдат оптимизирани (такива като при биостимулация), за да се насърчи разграждащата активност на микроорганизмите.

За прилагането на биоаугментацията трябва да се вземат предвид разходите за микробна култура в биореакторите в лабораторията.

Биостимулацията и биоаугментацията могат да бъдат комбинирани с всички други биотехнологии, описани по-долу.

компостиране

Компостирането се състои в смесване на замърсения материал с незамърсена почва, допълнена с растителни или животински средства и хранителни вещества. Тази смес образува конуси високи до 3 m, разделени една от друга.

Оксигенацията на долните слоеве на конусите трябва да се контролира чрез редовно преместване от едно място на друго с машини. Оптималните условия на влажност, температура, рН, хранителни вещества, наред с други, също трябва да се поддържат.

biocells

Техниката на биоремедиация с биопили е същата като техниката за компостиране, описана по-горе, с изключение на:

Отсъствието на подобрители от растителен или животински произход.
Премахването на аерацията чрез придвижване от едно място на друго.

Биопилите остават фиксирани на едно и също място и се аерират в техните вътрешни слоеве чрез тръбна система, чиито разходи за монтаж, експлоатация и поддръжка трябва да се вземат предвид от фазата на проектиране на системата.

landfarming

Биотехнологията, наречена "земеделско земеделие" (в превод от английски: издълбана от земята), се състои в смесване на замърсения материал (кал или утайка) с първите 30 cm незамърсена почва на обширна земя.

При тези първи сантиметри почвата благоприятства разграждането на замърсяващите вещества благодарение на аерацията и смесването. За тази работа се използва селскостопанска техника, като плугови трактори.

Основният недостатък на земеделското земеделие е, че той задължително изисква големи площи земя, които могат да бъдат използвани за производство на храни.

фиторемедиация

Фиторемедиацията, наричана още биоремедиация, подпомагана от микроорганизми и растения, е набор от биотехнологии, базирани на използването на растения и микроорганизми за отстраняване, ограничаване или намаляване на токсичността на замърсяващи вещества в повърхностни или подземни води, кал и почва.

По време на фиторемедиацията може да настъпи разграждане, екстракция и / или стабилизация (намаляване на бионаличността) на замърсителя. Тези процеси зависят от взаимодействията между растенията и микроорганизмите, които живеят много близо до техните корени, в област, наречена ризосфера .

Фиторемедиацията е особено успешна в отстраняването на тежки метали и радиоактивни вещества от почвата и повърхностните или подпочвените води (или ризофилтрация на замърсената вода).

В този случай, растенията натрупват металите на околната среда в техните тъкани и след това се събират и изгарят при контролирани условия, така че замърсителят преминава от разпръскване в околната среда до концентриране под формата на пепел.

Получената пепел може да бъде обработена за възстановяване на метала (ако е от икономически интерес), или може да бъде изоставен в местата за окончателно обезвреждане на отпадъците.

Недостатък на фиторемедиацията е липсата на задълбочени познания за взаимодействията между засегнатите организми (растения, бактерии и евентуално микоризни гъби).

От друга страна, трябва да се поддържат екологични условия, които отговарят на нуждите на всички прилагани агенции.

биореактори

Биореакторите са контейнери със значителни размери, които позволяват да се поддържат много контролирани физикохимични условия във водни среди за култивиране, с цел да се благоприятства биологичният процес, който представлява интерес.

В биореакторите бактериалните микроорганизми и гъби могат да се отглеждат в голям мащаб и в лаборатория и след това да се прилагат в биоаугментационни процеси in situ. Микроорганизмите могат също да бъдат култивирани в интерес на получаването на техните ензими, разграждащи замърсяващи вещества.

Биореакторите се използват в ex situ биоремедиационни процеси, когато замърсеният субстрат се смесва с микробната културална среда, благоприятствайки разграждането на замърсителя.

Микроорганизмите, отглеждани в биореакторите, могат дори да са анаеробни, като в този случай водната хранителна среда трябва да не съдържа разтворен кислород.

Сред биотехнологиите за биоремедиация използването на биореактори е сравнително скъпо, поради поддръжката на оборудването и изискванията за микробна култура.

mycoremediation

Микроремедиацията се отнася до използването на гъбични микроорганизми (микроскопични гъби) в процесите на биоремедиация на токсично замърсяващо вещество.

Трябва да се има предвид, че отглеждането на микроскопични гъби обикновено е по-сложно от това на бактериите и следователно предполага по-високи разходи. В допълнение, гъбичките растат и се размножават по-бавно от бактериите, като подпомагането на гъбите с биоремедиация е по-бавен процес.

Биоремедиация спрямо конвенционалните физични и химични технологии

-advantages

Биоремедиационните биотехнологии са много по-икономични и по-благоприятни за околната среда, отколкото конвенционално прилаганите химически и физически екологични технологии.

Това означава, че прилагането на биоремедиация има по-ниско въздействие върху околната среда от конвенционалните физикохимични практики.

От друга страна, сред микроорганизмите, прилагани в процесите на биоремедиация, някои могат да минерализират замърсяващите съединения, осигурявайки тяхното изчезване от околната среда, нещо, което е трудно да се постигне в една стъпка с конвенционалните физикохимични процеси.

- Недостатъци и аспекти, които трябва да се вземат предвид

Съществуващите в природата микробни метаболитни капацитети

Тъй като само 1% от съществуващите в природата микроорганизми са изолирани, ограничаването на биоремедиацията е именно идентифицирането на микроорганизми, способни да биоразграждат специфично замърсяващо вещество.

Незнание на приложената система

От друга страна, биоремедиацията работи със сложна система от два или повече живи организма, която като цяло не е напълно позната.

Някои изследвани микроорганизми биотрансформират замърсяващите съединения в още по-токсични странични продукти. Поради тази причина е необходимо преди това в лабораторията да се изследват биоремедиантните организми и техните задълбочени взаимодействия.

В допълнение, малките пилотни тестове (на полето) трябва да бъдат извършени преди масовото приложение и накрая процесите на биоремедиация in situ трябва да бъдат наблюдавани, за да се гарантира, че екологичните санитарни условия се случват правилно.

Екстраполация на резултатите, получени в лабораторията

Поради високата сложност на биологичните системи, резултатите, получени в малък мащаб в лабораторията не винаги могат да бъдат екстраполирани към процесите в полето.

Особености на всеки процес на биоремедиация

Всеки процес на биоремедиация включва специфичен експериментален проект, в зависимост от конкретните условия на замърсеното място, вида на замърсителя, който ще се третира, и организмите, които ще се прилагат.

Затова е необходимо тези процеси да се ръководят от интердисциплинарни групи от специалисти, сред които трябва да бъдат биолози, химици, инженери и др.

Поддържането на физикохимични условия в околната среда за подпомагане на растежа и метаболитната дейност, представляваща интерес, предполага постоянна задача по време на процеса на биоремедиация.