BIOREMEDIERING: EGENSKAPER, TYPER, FORDELER OG ULEMPER - BIOLOGI - 2026

Den bioremediation er et sett av bioteknologi sanitær anvendelse av metabolske funksjonene til bakterielle mikroorganismer, sopp, planter og / eller isolerte enzymer, for å fjerne forurensninger i jord og vann.

Mikroorganismer (bakterier og sopp) og noen planter kan biotransformere en lang rekke forurensende og giftige organiske forbindelser til de ikke er skadelige eller ufarlige. De kan også brytes ned noen organiske forbindelser til sin enkleste form, så som metan (CH ₄ ) og karbondioksyd (CO ₂ ).

Figur 1. Miljøforurensning ved oljeutslipp, senere behandlet med bioremediation Kilde: commons.wikimedia.org

Noen mikroorganismer og planter kan også trekke ut eller immobilisere giftige kjemiske elementer, som tungmetaller, i miljøet (in situ). Ved å immobilisere det giftige stoffet i miljøet er det ikke lenger tilgjengelig for levende organismer og påvirker derfor ikke dem.

Derfor er reduksjon av biotilgjengeligheten til et giftig stoff også en form for bioremediering, selv om det ikke innebærer fjerning av stoffet fra omgivelsene.

Det er for tiden en økende vitenskapelig og kommersiell interesse for å utvikle økonomiske og lave miljøpåvirkningsteknologier (eller “miljøvennlige”) teknologier, som bioremediering av overflate- og grunnvann, slam og forurenset jord.

Kjennetegn på bioremediation

Forurensninger som kan bioremedieres

Blant forurensningene som er blitt bioremediert, er tungmetaller, radioaktive stoffer, giftige organiske miljøgifter, eksplosive stoffer, organiske forbindelser avledet fra olje (polyaromatiske hydrokarboner eller HPA), fenoler, blant andre.

Fysisk-kjemiske forhold under bioremediering

Fordi bioremedieringsprosesser avhenger av aktiviteten til mikroorganismer og levende planter eller deres isolerte enzymer, må de passende fysisk-kjemiske forhold opprettholdes for hver organisme eller enzymsystem for å optimalisere deres metabolske aktivitet i bioremedieringsprosessen.

Faktorer som skal optimaliseres og vedlikeholdes gjennom bioremediation-prosessen

-Konsentrasjonen og biotilgjengeligheten til miljøgifter under miljøforhold: siden hvis det er for høyt, kan det være skadelig for de samme mikroorganismer som har evnen til å biotransformere dem.

-Fukthet: tilgjengeligheten av vann er viktig for levende organismer, så vel som for enzymatisk aktivitet av cellefrie biologiske katalysatorer. Generelt bør 12 til 25% relativ fuktighet opprettholdes i jord som gjennomgår bioremediering.

-Temperatur: det må være i området som tillater overlevelse av de påførte organismer og / eller den nødvendige enzymatiske aktiviteten.

-Den biotilgjengelige næringsstoffene: avgjørende for vekst og multiplisering av mikroorganismer av interesse. I hovedsak må karbon, fosfor og nitrogen kontrolleres, samt noen viktige mineraler.

-Syremet eller alkaliniteten til det vandige mediet eller pH (måling av H ⁺ -ioner i mediet).

-Tilgjengeligheten av oksygen: i de fleste bioremedieringsteknikker brukes aerobe mikroorganismer (for eksempel i kompostering, biopeler og "landfarming"), og lufting av underlaget er nødvendig. Anaerobe mikroorganismer kan imidlertid brukes i bioremedieringsprosesser, under meget kontrollerte forhold på laboratoriet (ved bruk av bioreaktorer).

Typer bioremediation

Blant de anvendte bioteknologiene er følgende:

biostimulation

Biostimulering består av in situ-stimulering av de mikroorganismer som allerede var til stede i miljøet som var forurenset (autoktone mikroorganismer), som er i stand til å bioremediere det forurensende stoffet.

Biostimulering in situ oppnås ved å optimalisere de fysisk-kjemiske forhold for at ønsket prosess skal skje, det vil si; pH, oksygen, fuktighet, temperatur, blant annet, og tilsetning av nødvendige næringsstoffer.

Bioaugmentation

Bioaugmentering innebærer å øke mengden av mikroorganismer av interesse (helst autokton), takket være tilsetningen av inokulene deres som er dyrket på laboratoriet.

Deretter, når mikroorganismer av interesse er inokulert in situ, må de fysisk-kjemiske tilstandene optimaliseres (for eksempel ved biostimulering) for å fremme den nedbrytende aktiviteten til mikroorganismene.

For anvendelse av bioaugmentering må kostnadene for mikrobiell kultur i bioreaktorer i laboratoriet vurderes.

Både biostimulering og bioaugmentering kan kombineres med alle de andre bioteknologiene beskrevet nedenfor.

kompostering

Kompostering består av å blande det forurensede materialet med uforurenset jord supplert med avlsmidler og næringsstoffer. Denne blandingen danner kjegler opp til 3 m høye, fordelt fra hverandre.

Oksygeneringen av kjeglene i nedre lag må kontrolleres gjennom regelmessig fjerning fra ett sted til et annet med maskiner. Optimale forhold for fuktighet, temperatur, pH, næringsstoffer, blant annet, må også opprettholdes.

Biopiles

Bioremedieringsteknikken med biopeler er den samme som komposteringsteknikken beskrevet ovenfor, bortsett fra:

• Fraværet avlsmidler av plante- eller animalsk opprinnelse.
• Eliminering av lufting ved bevegelse fra et sted til et annet.

Biopælene forblir faste på samme sted og luftes i sine indre lag gjennom et rørsystem, hvis installasjons-, drifts- og vedlikeholdskostnader må vurderes fra prosjekteringsfasen til systemet.

Landfarming

Bioteknologien som kalles "landfarming" (oversatt fra engelsk: tiling the land), består av å blande det forurensede materialet (gjørme eller sediment) med de første 30 cm uforurenset jord i et stort område.

I de første centimeter jord, foretrekkes nedbrytning av forurensende stoffer takket være lufting og blanding. Landbruksmaskiner brukes til disse oppgavene, for eksempel plogtraktorer.

Den største ulempen med oppdrett er at det nødvendigvis krever store landområder som kan brukes til matproduksjon.

Phytoremediation

Fytoremediering, også kalt mikroorganisme og planteassistert bioremediering, er et sett med bioteknologier basert på bruk av planter og mikroorganismer for å fjerne, begrense eller redusere giftigheten til forurensende stoffer i overflate- eller underjordiske farvann, slam og jordsmonn.

Under fytoremediering kan nedbrytning, ekstraksjon og / eller stabilisering (reduksjon i biotilgjengelighet) av forurensningen oppstå. Disse prosessene avhenger av samspillet mellom planter og mikroorganismer som lever veldig nær røttene sine, i et område som kalles rhizosphere.

Figur 2. Bioremediering av vann forurenset med planter og mikroorganismer. Kilde: Wikyhelper, fra Wikimedia Commons

Fytoremediering har vært særlig vellykket når det gjelder fjerning av tungmetaller og radioaktive stoffer fra jord og overflate- eller grunnvann (eller rhizofiltrasjon av forurenset vann).

I dette tilfellet akkumulerer plantene metaller fra miljøet i vevet deres og høstes og forbrennes under kontrollerte forhold, slik at forurensningen går fra å være spredt i miljøet, til å bli konsentrert i form av aske.

Den oppnådde asken kan behandles for å gjenvinne metallet (hvis det er av økonomisk interesse), eller kan forlates på steder hvor endelig deponering av avfallet blir fjernet.

En ulempe med fytoremediering er mangelen på dybdekunnskap om interaksjonene som oppstår mellom de involverte organismer (planter, bakterier og muligens mykorrhizal sopp).

På den annen side må miljøforhold som tilfredsstiller behovene til alle påførte organismer, opprettholdes.

bioreaktorer

Bioreaktorer er beholdere av betydelig størrelse som gjør det mulig å opprettholde meget kontrollerte fysisk-kjemiske forhold i vandige kulturmedier, med sikte på å favorisere en biologisk prosess av interesse.

Bakterielle mikroorganismer og sopp kan dyrkes i stor skala på laboratoriet i bioreaktorer og deretter brukes i bioaugmenteringsprosesser in situ. Mikroorganismer kan også dyrkes i interesse for å oppnå sine forurensningsnedbrytende enzymer.

Bioreaktorer brukes i eks-situ bioremedieringsprosesser, ved å blande det forurensede underlaget med det mikrobielle kulturmediet, og foretrekker nedbrytningen av forurensningen.

Mikroorganismer dyrket i bioreaktorer kan til og med være anaerobe, i hvilket tilfelle må det vandige kulturmedium være blottet for oppløst oksygen.

Figur 3. Bioreaktor. Kilde: es.m.wikipedia.org

Blant biomedisinsk bioteknologi er bruken av bioreaktorer relativt kostbar på grunn av vedlikehold av utstyr og krav til mikrobiell kultur.

Microremediation

Bruken av soppmikroorganismer (mikroskopiske sopp) i bioremedieringsprosesser av et giftig miljøgifter kalles mykorremediering.

Det bør vurderes at dyrking av mikroskopiske sopp vanligvis er mer sammensatt enn bakterier og derfor medfører høyere kostnader. Videre vokser og reproduserer sopp saktere enn bakterier, med soppassistert bioremediering som en langsommere prosess.

Bioremediation versus konvensjonelle fysiske og kjemiske teknologier

-Fordel

Bioremediation-bioteknologier er mye mer økonomiske og miljøvennlige enn konvensjonelle anvendte kjemiske og fysiske miljøsaneringsteknologier.

Dette betyr at anvendelsen av bioremediering har lavere miljøpåvirkning enn konvensjonell fysisk-kjemisk praksis.

På den annen side, blant mikroorganismer som brukes i bioremedieringsprosesser, kan noen til og med mineralisere de forurensende forbindelsene, noe som sikrer at de forsvinner fra miljøet, noe som er vanskelig å oppnå i et enkelt trinn med konvensjonelle fysisk-kjemiske prosesser.

-I ulemper og aspekter å vurdere

Mikrobielle metabolske kapasiteter som er i naturen

Gitt at bare 1% av mikroorganismer som eksisterer i naturen har blitt isolert, er en begrensning av bioremediering nettopp identifikasjonen av mikroorganismer som er i stand til å nedbryte et spesifikt forurensende stoff.

Mangel på kunnskap om det anvendte systemet

På den annen side fungerer bioremediering med et komplekst system med to eller flere levende organismer, som generelt ikke er helt forstått.

Noen studerte mikroorganismer har biotransformerte forurensende forbindelser til enda mer giftige biprodukter. Av denne grunn er det nødvendig å studere bioremedieringsorganismer og deres interaksjoner i dybden i laboratoriet.

I tillegg må småskala pilotforsøk (i felt) utføres før de påføres massevis, og til slutt må bioremediation-prosessene overvåkes in situ for å sikre at miljøsanitæringen skjer riktig.

Ekstrapolering av resultater oppnådd på laboratoriet

På grunn av den høye kompleksiteten i biologiske systemer, kan resultater som er oppnådd i liten skala i laboratoriet ikke alltid ekstrapoleres til feltprosesser.

Spesialiteter ved hver bioremedieringsprosess

Hver bioremedieringsprosess involverer en spesifikk eksperimentell utforming, i henhold til de spesielle forholdene på det forurensede stedet, typen forurensning som skal behandles og organismer som skal påføres.

Det er da nødvendig at disse prosessene ledes av tverrfaglige grupper av spesialister, blant dem må være biologer, kjemikere, ingeniører, blant andre.

Opprettholdelse av de fysisk-kjemiske miljøforholdene for å favorisere veksten og metabolsk aktivitet av interesse, innebærer et permanent arbeid under bioremedieringsprosessen.

Tid som kreves

Endelig kan bioremedieringsprosesser ta lengre tid enn konvensjonelle fysisk-kjemiske prosesser.

referanser

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediering av forurenset jord brukt med fjærkre. Research Journal in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediation, Biostimulation and Bioaugmentation: A Review". Internation Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Faktorer som begrenser bioremediation-teknologier". Bioresource Technology. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY og Schoeder, D. (1999). Prinsipper for biorecovery. McGraw-Hill Interamericana fra Spania, Madrid. s. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA og Brock, T. (2015). Brock biologi av mikroorganismer. 14 utg. Benjamin Cummings. s. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Miljøforurensningskontrollmikrobiologi. M. Dekker. s 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15-39.