БІОРЕМЕДІАЦІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДИ, ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Біоремедіація являє собою набір біотехнологій санітарії , використовуючи метаболічні можливості бактеріальних мікроорганізмів, грибів, рослин і / або ізольованих ферментів, для видалення забруднюючих речовин в грунті і воді.

Мікроорганізми (бактерії та гриби) та деякі рослини можуть біотрансформувати найрізноманітніші забруднюючі та токсичні органічні сполуки, поки вони не стануть нешкідливими чи нешкідливими. Вони можуть навіть біодеградуювати деякі органічні сполуки до їх найпростіших форм, таких як метан (CH ₄ ) та вуглекислий газ (CO ₂ ).

Рисунок 1. Забруднення навколишнього середовища внаслідок розливу нафти, пізніше обробленого біоремедіацією. Джерело: commons.wikimedia.org

Деякі мікроорганізми та рослини також можуть видобувати або знерухомлювати токсичні хімічні елементи, наприклад важкі метали, у навколишнє середовище (in situ). Іммобілізуючи токсичну речовину в навколишньому середовищі, вона більше не доступна живим організмам і тому не впливає на них.

Тому зниження біодоступності токсичної речовини також є формою біоремедіації, хоча це не означає виведення речовини з навколишнього середовища.

В даний час зростає науковий та комерційний інтерес до розвитку економічних та низьких екологічних впливів (або "екологічно чистих") технологій, таких як біоремедіація поверхневих та підземних вод, мулу та забруднених ґрунтів.

Характеристика біоремедіації

Забруднення, які можуть бути видалені біологічно

Серед забруднювачів, які отримали біоремедіацію, - важкі метали, радіоактивні речовини, токсичні органічні забруднювачі, вибухонебезпечні речовини, органічні сполуки, одержувані з нафти (поліароматичні вуглеводні або ВПС), феноли, серед інших.

Фізико-хімічні умови під час біоремедіації

Оскільки процеси біоремедіації залежать від активності мікроорганізмів та живих рослин або їх ізольованих ферментів, для кожного організму чи ферментної системи необхідно підтримувати відповідні фізико-хімічні умови для оптимізації їх метаболічної активності в процесі біоремедіації.

Фактори, які слід оптимізувати та підтримувати протягом всього процесу біоремедіації

-Концентрація та біодоступність забруднювача в умовах навколишнього середовища: оскільки якщо він занадто високий, він може завдати шкоди тим же мікроорганізмам, які мають здатність до їх біотрансформації.

-Влажність: наявність води є важливою для живих організмів, а також для ферментативної активності безклітинних біологічних каталізаторів. Як правило, у ґрунтах, що проходять біоремедіацію, слід підтримувати 12-25% відносної вологості.

-Температура: вона повинна знаходитися в межах, що дозволяє вижити застосованим організмам та / або необхідній ферментативній активності.

-Біодоступні поживні речовини: важливі для росту та розмноження цікавих мікроорганізмів. В основному необхідно контролювати вуглець, фосфор і азот, а також деякі необхідні мінерали.

-Кіслотність або лужність водного середовища або pH (вимірювання іонів Н ⁺ у середовищі).

-Наявність кисню: у більшості методів біоремедіації використовуються аеробні мікроорганізми (наприклад, для компостування, біопілів та "наземного землеробства"), і необхідна аерація субстрату. Однак анаеробні мікроорганізми можуть використовуватися в процесах біоремедіації, в дуже контрольованих умовах в лабораторії (використовуючи біореактори).

Види біоремедіації

Серед біотехнологій, що застосовуються, є біоремедіація:

Біостимуляція

Біостимуляція складається із стимуляції in situ тих мікроорганізмів, які вже є у забрудненому середовищі (автохтонні мікроорганізми), здатні біоремедіацію забруднюючої речовини.

Біостимуляція in situ досягається оптимізацією фізико-хімічних умов для бажаного процесу, тобто; рН, кисень, вологість, температура, серед іншого, та додавання необхідних поживних речовин.

Біоаугментація

Біоаугментація передбачає збільшення кількості зацікавлених мікроорганізмів (бажано автохтонних), завдяки додаванню в їх лабораторію вирощених в лабораторії.

Згодом, після того, як мікроорганізми, що представляють інтерес, були щеплені in situ, фізико-хімічні умови повинні бути оптимізовані (наприклад, у біостимуляції) для сприяння руйнівній активності мікроорганізмів.

Для застосування біоаугментації слід враховувати витрати на мікробну культуру в біореакторах в лабораторії.

Як біостимуляція, так і біоагментація можуть поєднуватися з усіма іншими описаними нижче біотехнологіями.

Компостування

Компостування складається із змішування забрудненого матеріалу з незабрудненим ґрунтом, доповненим рослинами чи тваринами, розмножуючими речовинами та поживними речовинами. Ця суміш утворює шишки висотою до 3 м, розташовані один від одного.

Оксигенацію нижніх шарів шишок необхідно контролювати шляхом їх регулярного видалення з однієї ділянки на іншу за допомогою машин. Крім того, повинні підтримуватися оптимальні умови вологості, температури, рН, поживних речовин.

Біопіли

Техніка біоремедіації біопілями така ж, як описана вище технологія компостування, за винятком:

• Відсутність селекційних агентів рослинного чи тваринного походження.
• Усунення аерації шляхом переміщення з однієї ділянки на іншу.

Біопіли залишаються нерухомими в тому самому місці, провітрюючись у внутрішніх шарах через систему труб, витрати на установку, експлуатацію та обслуговування яких слід враховувати з етапу проектування системи.

Озеленення

Біотехнологія під назвою "наземне землеробство" (в перекладі з англійської: обробляти землю) складається з змішування забрудненого матеріалу (грязі або осаду) з першими 30 см незабрудненого ґрунту великої площі.

У перших сантиметрах ґрунту сприяє деградація забруднюючих речовин завдяки її аерації та перемішуванню. Для виконання цих завдань використовується сільськогосподарська техніка, наприклад плугові трактори.

Основним недоліком наземного землеробства є те, що він обов'язково потребує великих ділянок землі, які можна було б використовувати для виробництва продуктів харчування.

Фіторемедіація

Фіторемедіація, яку ще називають мікроорганізмом та біоремедіацією, що сприяє рослинам, - це сукупність біотехнологій, заснованих на використанні рослин та мікроорганізмів для видалення, обмеження або зменшення токсичності забруднюючих речовин у поверхневих або підземних водах, мулах та ґрунтах.

Під час фіторемедіації може статися деградація, екстракція та / або стабілізація (зниження біодоступності) забруднювача. Ці процеси залежать від взаємодії між рослинами та мікроорганізмами, які живуть дуже близько до свого коріння, в районі, званому ризосферою.

Малюнок 2. Біоремедіація води, забрудненої рослинами та мікроорганізмами. Джерело: Вікіхельпер, від Wikimedia Commons

Фіторемедіація досягла особливого успіху у видаленні важких металів та радіоактивних речовин із ґрунтів та поверхневих чи ґрунтових вод (або коренефільтрації забрудненої води).

У цьому випадку рослини накопичують метали з навколишнього середовища у своїх тканинах, а потім їх збирають та спалюють у контрольованих умовах, так що забруднювач переходить від дисперсії у навколишнє середовище, до концентрування у вигляді золи.

Отриманий попіл можна обробити для відновлення металу (якщо він представляє економічний інтерес), або його можна залишити в місцях остаточного захоронення відходів.

Недоліком фіторемедіації є відсутність глибоких знань про взаємодію між організмами, що беруть участь (рослини, бактерії та, можливо, мікоризні гриби).

З іншого боку, повинні підтримуватися умови навколишнього середовища, що задовольняють потреби всіх застосованих організмів.

Біореактори

Біореактори - це контейнери значних розмірів, які дозволяють підтримувати дуже контрольовані фізико-хімічні умови у водних культуральних середовищах з метою сприяння біологічному процесу, який представляє інтерес.

Бактеріальні мікроорганізми та грибки можна культивувати у великих масштабах в лабораторії в біореакторах і потім застосовувати in situ процеси біоагментації in situ. Мікроорганізми також можуть культивуватися в інтересах отримання ферментів, що руйнують забруднювачі.

Біореактори використовують у процесах біоремедіації ex situ шляхом змішування забрудненого субстрату із середовищем мікробної культури, що сприяє деградації забруднювача.

Мікроорганізми, вирощені в біореакторах, можуть бути навіть анаеробними, і в цьому випадку водне культуральне середовище повинно бути позбавленим розчиненого кисню.

Малюнок 3. Біореактор. Джерело: es.m.wikipedia.org

Серед біотехнологій з біоремедіації використання біореакторів є відносно дорогим, завдяки технічному обслуговуванню обладнання та вимогам до мікробної культури.

Мікроремедіація

Використання грибкових мікроорганізмів (мікроскопічних грибів) у процесах біоремедіації токсичного забруднювача називається мікоремедіацією.

Слід враховувати, що вирощування мікроскопічних грибів зазвичай складніше, ніж бактерій, і тому спричиняє більші витрати. Крім того, гриби ростуть і розмножуються повільніше, ніж бактерії, при цьому біоремедіація, що сприяє грибкам, є більш повільним процесом.

Біоремедіація порівняно зі звичайними фізико-хімічними технологіями

-Пригода

Біотехнології біоремедіації набагато економічніші та екологічніші, ніж звичайно застосовувані хімічні та фізичні технології санітарії довкілля.

Це означає, що застосування біоремедіації має менший вплив на навколишнє середовище, ніж звичайні фізико-хімічні практики.

З іншого боку, серед мікроорганізмів, що застосовуються в процесах біоремедіації, деякі навіть можуть мінералізувати забруднюючі сполуки, забезпечуючи їх зникнення з навколишнього середовища, чогось складно досягти за один крок із звичайними фізико-хімічними процесами.

-Недоліки та аспекти, які слід враховувати

Мікробні метаболічні можливості, що існують у природі

З огляду на те, що лише 1% існуючих у природі мікроорганізмів обмеженням біоремедіації є саме ідентифікація мікроорганізмів, здатних до біологічного розкладання конкретної забруднюючої речовини.

Відсутність знань про застосовану систему

З іншого боку, біоремедіація працює зі складною системою двох і більше живих організмів, яка, як правило, не повністю зрозуміла.

Деякі досліджувані мікроорганізми містять біотрансформовані забруднюючі сполуки в ще більш токсичні побічні продукти. З цієї причини необхідно попередньо глибоко вивчити біоремедіаційні організми та їх взаємодії в лабораторії.

Крім того, перед масовим їх застосуванням слід проводити невеликі пілотні випробування (у польових умовах), і, нарешті, процеси біоремедіації повинні контролюватися in situ, щоб гарантувати правильну екологічну санітарію.

Екстраполяція результатів, отриманих в лабораторії

Через велику складність біологічних систем результати, отримані в невеликих масштабах в лабораторії, не завжди можуть бути екстрапольовані на польові процеси.

Особливості кожного процесу біоремедіації

Кожен процес біоремедіації передбачає специфічну експериментальну розробку, відповідно до конкретних умов забрудненої ділянки, типу забруднювача, який підлягає обробці, та організмів, які слід застосовувати.

Тоді необхідно, щоб цими процесами керували міждисциплінарні групи фахівців, серед яких повинні бути біологи, хіміки, інженери, серед інших.

Підтримання фізико-хімічних умов навколишнього середовища для сприяння росту та метаболічній активності, що представляють інтерес, передбачає постійну роботу в процесі біоремедіації.

Час, необхідний

Нарешті, процеси біоремедіації можуть зайняти більше часу, ніж звичайні фізико-хімічні процеси.

Список літератури

1. Адамс, Г.О., Таварі-Фуфейін, П. Ігеленя, Е. (2014). Біоремедіація забруднених нафтою ґрунтів з використанням пташиного посліду. Науково-дослідний журнал з технічних та прикладних наук3 (2) 124-130
2. Адамс, О. (2015). "Біоремедіація, біостимуляція та біоаугментація: огляд". Міжнародний журнал екологічної біоремедіації та біодеградації. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Фактори, що обмежують технології біоремедіації". Біоресурсні технології. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY та Schoeder, D. (1999). Принципи біореставрації. McGraw-Hill Interamericana з Іспанії, Мадрид. С. 296.
5. Мадіган, МТ, Мартинко, Дж. М., Бендер, К. С., Баклі, DH Stahl, DA і Brock, T. (2015). Порушена біологія мікроорганізмів. 14 вид. Бенджамін Камінгс. С. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Мікробіологія контролю забруднення навколишнього середовища. М. Декер. С. 453.
7. Пілон-Смітс Е. 2005. Фіторемедіація. Ану. Преподобний рослинний біол. 56: 15-39.