БИОРЕМЕДИАЦИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ, ПРЕДИМСТВА И НЕДОСТАТЪЦИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На биологичното пречистване е набор от биотехнологии канализация използване метаболитни възможности на бактериални микроорганизми, гъби, растения и / или изолирани ензими, за да се отстранят замърсителите в почвата и водата.

Микроорганизмите (бактерии и гъбички) и някои растения могат биотрансформират голямо разнообразие от замърсяващи и токсични органични съединения, докато не бъдат направени безобидни или безобидни. Те дори могат да биоразграждат някои органични съединения до най-простите им форми, като метан (СН ₄) и въглероден диоксид (CO ₂).

Фигура 1. Замърсяване на околната среда от разлив на нефт, по-късно третиран с биоремедиация. Източник: commons.wikimedia.org

Някои микроорганизми и растения също могат да извличат или обездвижват токсични химични елементи, като тежки метали, в околната среда (in situ). Чрез обездвижването на токсичното вещество в околната среда то вече не е достъпно за живите организми и следователно не ги влияе.

Поради тази причина намаляването на бионаличността на токсично вещество също е форма на биоремедиация, въпреки че не предполага елиминирането на веществото от околната среда.

Понастоящем нараства научният и търговски интерес към разработването на икономически и ниски въздействия върху околната среда (или „екологосъобразни“) технологии, като биоремедиация на повърхностни и подземни води, утайки и замърсени почви.

Характеристики на биоремедиацията

Замърсители, които могат да бъдат биоремедианти

Сред замърсителите, които са били биоремедианти, са тежки метали, радиоактивни вещества, токсични органични замърсители, експлозивни вещества, органични съединения, получени от нефт (полиароматни въглеводороди или HPA), феноли, между другото.

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 поддържат подходящи 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 по време на процеса на биоремедиация

-Концентрацията и бионаличността на замърсителя при условия на околната среда: тъй като ако той е твърде висок, той може да бъде вреден за същите микроорганизми, които имат способността да ги биотрансформират.

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

-Температура: тя трябва да бъде в обхвата, който позволява оцеляване на приложените организми и / или необходимата ензимна активност.

- Бионаличните хранителни вещества: от съществено значение за растежа и размножаването на микроорганизмите, които представляват интерес. Основно трябва да се контролират въглерод, фосфор и азот, както и някои основни минерали.

-Киселинността или алкалността на водната среда или рН (измерване на Н ⁺ йони в средата).

-Наличието на кислород: в повечето техники за биоремедиация се използват аеробни микроорганизми (например при компостиране, биопили и „земеделие“) и е необходимо аериране на субстрата. Въпреки това, анаеробните микроорганизми могат да се използват в процеси на биоремедиация, при много контролирани условия в лабораторията (използвайки биореактори).

Видове биоремедиация

Сред приложените биотехнологии за биоремедиация са следните:

Биостимулация

Биостимулацията се състои в in situ стимулация на онези микроорганизми, които вече присъстват в околната среда, която е била замърсена (автохтонни микроорганизми), способна да биоремедиатира замърсителното вещество.

Биостимулация in situ се постига чрез оптимизиране на физико-химичните условия за протичане на желания процес, т.е. pH, кислород, влажност, температура, наред с други, и добавяне на необходимите хранителни вещества.

Bioaugmentation

Биоаугментацията включва увеличаване на количеството на микроорганизмите, които представляват интерес (за предпочитане автохтонни), благодарение на добавянето на тяхната инокула, отгледана в лабораторията.

Впоследствие, след като микроорганизмите, които представляват интерес, се инокулират in situ, физикохимичните условия трябва да бъдат оптимизирани (като например при биостимулация), за да се насърчи разграждащата активност на микроорганизмите.

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

Както биостимулацията, така и биоаугментацията могат да бъдат комбинирани с всички останали биотехнологии, описани по-долу.

Компостирането

Компостирането се състои в смесване на замърсения материал с незамърсена почва, допълнена с растителни или животновъдни агенти и хранителни вещества. Тази смес образува шишарки с височина до 3 m, разположени на разстояние един от друг.

Оксигенирането на долните слоеве на шишарките трябва да се контролира чрез редовното им изнасяне от едно място на друго с машини. Освен това трябва да се поддържат оптимални условия за влажност, температура, pH, хранителни вещества.

Biopiles

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

• Отсъствието на размножаващи агенти от растителен или животински произход.
• Елиминиране на аерацията чрез движение от една площадка до друга.

Биопилите остават неподвижни на едно и също място и се аерират във вътрешните си слоеве чрез система от тръби, чиито разходи за инсталиране, експлоатация и поддръжка трябва да се вземат предвид от фазата на проектиране на системата.

Landfarming

Биотехнологията, наречена „озеленяване“ (в превод от английски: обработване на земята), се състои в смесване на замърсения материал (кал или утайка) с първите 30 см незамърсена почва на голяма площ.

В тези първи сантиметри от почвата разграждането на замърсяващи вещества се благоприятства благодарение на нейната аерация и смесване. За тези задачи се използва селскостопанска техника, като плугови трактори.

Основният недостатък на земеделското земеделие е, че той задължително изисква големи участъци земя, които биха могли да се използват за производство на храни.

фиторемедиация

Фиторемедиацията, наричана още микроорганизъм и подпомагана от растенията биоремедиация, 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, утайки и почви.

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

Фигура 2. Биоремедиация на вода, замърсена с растения и микроорганизми. Източник: Wikyhelper, от Wikimedia Commons

Фиторемедиацията е особено успешна при отстраняването на тежки метали и радиоактивни вещества от почвите и повърхностните или подземните води (или коренизацията на замърсена вода).

В този случай растенията натрупват металите от околната среда в тъканите си, след което те се събират и изгарят при контролирани условия, така че замърсителят да се разпръсне от околната среда, да се концентрира под формата на пепел.

Получената пепел може да бъде обработена за оползотворяване на метала (ако е от икономически интерес) или може да бъде изоставена на места за окончателно изхвърляне на отпадъците.

Недостатък на фиторемедиацията е липсата на задълбочени познания за взаимодействията, които се случват между участващите организми (растения, бактерии и евентуално микоризни гъбички).

От друга страна, условията на околната среда, които удовлетворяват нуждите на всички приложени организми, трябва да се поддържат.

биореактори

Биореакторите са контейнери със значителни размери, които позволяват да се поддържат много контролирани физикохимични условия във водна среда за култура с цел да се благоприятства биологичен процес, който представлява интерес.

Бактериалните микроорганизми и гъбички могат да бъдат култивирани в голям мащаб в лабораторията в биореактори и след това да бъдат приложени in situ процеси на биоагментация. Микроорганизмите също могат да се култивират в интерес на получаване на техните ензими, разграждащи замърсителите.

Биореакторите се използват в процеса на биоремедиация ex situ чрез смесване на замърсения субстрат с микробната културална среда, благоприятстваща разграждането на замърсителя.

Микроорганизмите, отглеждани в биореактори, дори могат да бъдат анаеробни, в този случай водната културна среда трябва да бъде лишена от разтворен кислород.

Фигура 3. Биореактор. Източник: es.m.wikipedia.org

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

Microremediation

Използването на гъбични микроорганизми (микроскопични гъби) в процесите на биоремедиация на токсичен замърсител се нарича микоремедиация.

Трябва да се има предвид, че отглеждането на микроскопични гъби обикновено е по-сложно от това на бактериите и следователно предполага по-големи разходи. Освен това гъбите растат и се размножават по-бавно от бактериите, като подпомаганата от гъби биоремедиация е по-бавен процес.

Биоремедиация спрямо конвенционалните физични и химични технологии

-Advantage

Биотехнологиите за биоремедиация са много по-икономични и екологични в сравнение с традиционно прилаганите химически и физически технологии за саниране на околната среда.

Това означава, че прилагането на биоремедиацията има по-малко въздействие върху околната среда в сравнение с конвенционалните физикохимични практики.

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

-Недостатъци и аспекти, които трябва да се вземат предвид

Микробиални метаболитни способности, съществуващи в природата

Като се има предвид, че само 1% от микроорганизмите, съществуващи в природата, са изолирани, ограничение на биоремедиацията е именно идентифицирането на микроорганизми, способни да биоразграждат специфично замърсяващо вещество.

Липса на познания за прилаганата система

От друга страна, биоремедиацията работи със сложна система от два или повече живи организма, която по принцип не е напълно разбрана.

Някои изследвани микроорганизми имат биотрансформирани замърсяващи съединения в още по-токсични странични продукти. Поради тази причина е необходимо предварително да се проучат биологичните организми и техните взаимодействия в дълбочина в лабораторията.

Освен това трябва да се проведат малки пилотни изпитвания (в полето), преди да се прилагат масово, и накрая процесите на биоремедиация трябва да се наблюдават in situ, за да се гарантира правилното протичане на околната среда.

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 в полеви процеси.

Особености на всеки процес на биоремедиация

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

Тогава е необходимо тези процеси да се ръководят от интердисциплинарни групи специалисти, сред които трябва да бъдат биолози, химици, инженери, наред с други.

Поддържането на физико-химичните условия на околната среда, за да се благоприятства растежът и метаболитната активност, представляващ интерес, предполага постоянна работа по време на процеса на биоремедиация.

Необходимо време

И накрая, процесите на биоремедиация могат да отнемат повече време от конвенционалните физикохимични процеси.

Препратки

1. Адамс, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Биоремедиация на замърсени с мазнини почви, използващи птичи отпадъци. Изследователски журнал в областта на инженерните и приложни науки3 (2) 124-130
2. Адамс, О. (2015). „Биоремедиация, биостимулация и биоагментация: преглед“. Международно списание за екологична биоремедиация и биоразграждане. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). „Фактори, ограничаващи технологиите за биоремедиация“. Биоресурсни технологии. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY и Schoeder, D. (1999). Принципи на Biorecovery. McGraw-Hill Interamericana от Испания, Мадрид. стр. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA и Brock, T. (2015). Брок биология на микроорганизмите. 14 изд. Бенджамин Къмингс. стр. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Микробиология за контрол на замърсяването на околната среда. М. Декер. стр. 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Преподобна растителна биол. 56: 15-39.