BIOREMEDIERING: EGENSKAPER, TYPER, FÖRDELAR OCH NACKDELAR - BIOLOGI - 2025

Den bioremediering är en uppsättning av bioteknik sanitet med användning metaboliska funktionerna i bakteriella mikroorganismer, svampar, växter och / eller isolerade enzymer, för att avlägsna föroreningar i jord och vatten.

Mikroorganismer (bakterier och svampar) och vissa växter kan biotransformera en mängd olika förorenande och giftiga organiska föreningar tills de inte är skadliga eller ofarliga. De kan även biologiskt nedbryta några organiska föreningar till sina enklaste former, såsom metan (CH ₄ ) och koldioxid (CO ₂ ).

Bild 1. Miljökontaminering av oljeutsläpp, senare behandlad med bioremediation.Källa: commons.wikimedia.org

Vissa mikroorganismer och växter kan också extrahera eller immobilisera giftiga kemiska element, såsom tungmetaller, i miljön (in situ). Genom att immobilisera den giftiga substansen i miljön är den inte längre tillgänglig för levande organismer och påverkar därför inte dem.

Därför är minskning av biotillgängligheten för ett giftigt ämne också en form av bioremediering, även om det inte innebär att ämnet tas bort från miljön.

För närvarande finns det ett växande vetenskapligt och kommersiellt intresse för att utveckla ekonomisk och låg miljöpåverkan (eller ”miljövänlig”) teknik, såsom bioremediering av yt- och underjordiska vatten, slam och förorenad jord.

Egenskaper för bioremediering

Föroreningar som kan överföras

Bland de föroreningar som har förorenats är tungmetaller, radioaktiva ämnen, giftiga organiska föroreningar, explosiva ämnen, organiska föreningar härrörande från olja (polyaromatiska kolväten eller HPA), fenoler, bland andra.

Fysikokemiska tillstånd under bioremediering

Eftersom bioremedieringsprocesser beror på aktiviteten hos mikroorganismer och levande växter eller deras isolerade enzymer, måste de lämpliga fysisk-kemiska förhållandena bibehållas för varje organisme eller enzymsystem för att optimera deras metaboliska aktivitet i bioremedieringsprocessen.

Faktorer som ska optimeras och underhållas under hela förmedlingsprocessen

-Koncentrationen och biotillgängligheten hos föroreningen under miljöförhållanden: eftersom om det är för högt kan det vara skadligt för samma mikroorganismer som har förmågan att biotransformera dem.

-Fuktighet: tillgången på vatten är avgörande för levande organismer, såväl som för enzymatisk aktivitet hos cellfria biologiska katalysatorer. I allmänhet bör 12 till 25% relativ fuktighet bibehållas i jordar som genomgår bioremediering.

-Temperatur: det måste vara inom det område som tillåter överlevnad av de applicerade organismerna och / eller den erforderliga enzymatiska aktiviteten.

-Det biotillgängliga näringsämnena: viktigt för tillväxt och multiplikation av de intressanta mikroorganismerna. I huvudsak måste kol, fosfor och kväve kontrolleras, liksom några viktiga mineraler.

-Syran eller alkaliniteten hos det vattenhaltiga mediet eller pH (mätning av H ⁺ -joner i mediet).

-Tillgängligheten av syre: i de flesta bioremedieringstekniker används aeroba mikroorganismer (till exempel i kompostering, biopeler och ”land-farming”), och luftning av substratet är nödvändigt. Anaeroba mikroorganismer kan emellertid användas i bioremedieringsprocesser under mycket kontrollerade förhållanden på laboratoriet (med bioreaktorer).

Typer av bioremediation

Bland de tillämpade biomedieteknikerna är följande:

biostimulation

Biostimulering består av in situ-stimulering av de mikroorganismer som redan finns i miljön som var förorenad (autokton mikroorganismer), som kan bioremediera det kontaminerande ämnet.

Biostimulering in situ uppnås genom att optimera de fysikalisk-kemiska förhållandena för att den önskade processen ska ske, det vill säga; pH, syre, luftfuktighet, temperatur, bland annat, och tillsätta nödvändiga näringsämnen.

Bioaugmentation

Bioutvärdering innebär att man ökar mängden av mikroorganismer av intresse (företrädesvis autokton), tack vare tillsatsen av deras inokula som odlas i laboratoriet.

Därefter, när mikroorganismerna av intresse har inokulerats in situ, måste de fysikalisk-kemiska förhållandena optimeras (såsom vid biostimulering) för att främja den nedbrytande aktiviteten hos mikroorganismerna.

För tillämpning av bioutvärdering måste kostnaderna för mikrobiell kultur i bioreaktorer i laboratoriet beaktas.

Både biostimulering och bioutvärdering kan kombineras med alla andra biotekniker som beskrivs nedan.

kompostering

Kompostering består av att blanda det kontaminerade materialet med okontaminerad jord kompletterad med växt- eller djuruppfödningsmedel och näringsämnen. Denna blandning bildar kottar upp till 3 m höga, åtskilda.

Oxygeniseringen av kottarnas nedre lager måste kontrolleras genom deras regelbundna borttagning från en plats till en annan med maskiner. Optimala förhållanden för fuktighet, temperatur, pH, bland annat näringsämnen måste också upprätthållas.

Biopiles

Bioremedieringstekniken med biopeler är densamma som komposteringstekniken som beskrivs ovan, med undantag för:

• Avsaknad av avelsmedel av växt- eller djurursprung.
• Eliminering av luftning genom förflyttning från en plats till en annan.

Biopilerna förblir fixerade på samma plats och luftas i sina inre lager genom ett rörsystem, vars installation, drift och underhållskostnader måste beaktas från systemets konstruktionsfas.

Landfarming

Biotekniken kallad ”landfarming” (översatt från engelska: bearbetning av marken) består av att blanda det kontaminerade materialet (lera eller sediment) med de första 30 cm oförorenade marken i ett stort område.

I dessa första centimeter jord föredrages nedbrytningen av förorenande ämnen tack vare luftning och blandning. Jordbruksmaskiner används för dessa uppgifter, t.ex. plogtraktorer.

Den främsta nackdelen med markodling är att det nödvändigtvis kräver stora landområden som kan användas för livsmedelsproduktion.

fytoremediering

Fytormediering, även kallad mikroorganism och växtassisterad bioremediering, är en uppsättning bioteknologier baserade på användning av växter och mikroorganismer för att avlägsna, begränsa eller minska giftigheten hos förorenande ämnen i yt- eller underjordiska vatten, slam och jord.

Under fytoremediering kan nedbrytning, extraktion och / eller stabilisering (minskning i biotillgänglighet) av föroreningen uppstå. Dessa processer är beroende av växelverkan mellan växter och mikroorganismer som lever mycket nära sina rötter, i ett område som kallas rhizosphere.

Bild 2. Bioremediering av vatten förorenat med växter och mikroorganismer. Källa: Wikyhelper, från Wikimedia Commons

Fytormediering har varit särskilt framgångsrik när det gäller att avlägsna tungmetaller och radioaktiva ämnen från jord och yt- eller grundvatten (eller rhizofiltration av förorenat vatten).

I detta fall ackumuleras växterna metallerna från miljön i sina vävnader och skördas och förbränns sedan under kontrollerade förhållanden, så att föroreningen går från att spridas i miljön till att koncentreras i form av aska.

Den erhållna asken kan behandlas för att återvinna metallen (om den är av ekonomiskt intresse) eller kan överges på platser för slutförvaring av avfall.

En nackdel med fytoremediering är bristen på djup kunskap om de interaktioner som inträffar mellan de involverade organismerna (växter, bakterier och eventuellt mykorrhizala svampar).

Å andra sidan måste miljöförhållanden som tillgodoser behoven hos alla applicerade organismer bibehållas.

bioreaktorer

Bioreaktorer är behållare av betydande storlek, som möjliggör att upprätthålla mycket kontrollerade fysisk-kemiska förhållanden i vattenhaltiga odlingsmedier, i syfte att gynna en biologisk process av intresse.

Bakteriella mikroorganismer och svampar kan odlas i stor skala på laboratoriet i bioreaktorer och sedan appliceras i bioaugmenteringsprocesser in situ. Mikroorganismer kan också odlas i intresse av att erhålla sina förorenande nedbrytande enzymer.

Bioreaktorer används i ex situ bioremedieringsprocesser genom att blanda det kontaminerade substratet med det mikrobiella odlingsmediet, vilket föredrar nedbrytningen av föroreningen.

Mikroorganismer som odlas i bioreaktorer kan till och med vara anaeroba, i vilket fall måste det vattenhaltiga odlingsmediet sakna upplöst syre.

Bild 3. Bioreaktor. Källa: es.m.wikipedia.org

Bland biomedieringsbioteknologier är användningen av bioreaktorer relativt dyr, på grund av utrustningsunderhåll och krav på mikrobiell kultur.

Microremediation

Användningen av svampmikroorganismer (mikroskopiska svampar) i bioremedieringsprocesser av ett toxiskt förorenande ämne kallas mykorremediering.

Det bör beaktas att odlingen av mikroskopiska svampar vanligtvis är mer komplex än bakterier och därför innebär högre kostnader. Dessutom växer och reproducerar svampar långsammare än bakterier, varvid svampassisterad bioremediering är en långsammare process.

Bioremediation kontra konventionell fysikalisk och kemisk teknik

-Fördel

Bioremediation-bioteknologier är mycket mer ekonomiska och miljövänliga än konventionellt tillämpade kemiska och fysiska miljöteknik.

Detta innebär att tillämpningen av bioremediering har en lägre miljöpåverkan än konventionell fysisk-kemisk praxis.

Å andra sidan, bland de mikroorganismer som används i bioremedieringsprocesser, kan vissa till och med mineralisera de förorenande föreningarna, vilket säkerställer att de försvinner från miljön, något svårt att uppnå i ett enda steg med konventionella fysikalisk-kemiska processer.

-Nackdelar och aspekter att beakta

Mikrobiella metaboliska kapaciteter som finns i naturen

Med tanke på att endast 1% av de mikroorganismer som finns i naturen har isolerats är en begränsning av bioremediering exakt identifieringen av mikroorganismer som kan bionedbrytas ett specifikt förorenande ämne.

Brist på kunskap om det tillämpade systemet

Å andra sidan fungerar bioremediering med ett komplext system med två eller flera levande organismer, vilket i allmänhet inte är helt förstått.

Vissa mikroorganismer som studerats har biotransformerade förorenande föreningar till ännu mer giftiga biprodukter. Av denna anledning är det nödvändigt att studera tidigare biomedieringsorganismer och deras interaktion djup i laboratoriet.

Dessutom måste småskaliga pilotprovningar (i fältet) genomföras innan de tillämpas i massa, och slutligen måste bioremedieringsprocesserna övervakas in situ för att säkerställa att miljösanitering sker korrekt.

Extrapolation av resultat erhållna i laboratoriet

På grund av den biologiska systemens höga komplexitet kan resultat som erhållits i liten skala på laboratoriet inte alltid extrapoleras till fältprocesser.

Särskildheter i varje bioremedieringsprocess

Varje bioremedieringsprocess innebär en specifik experimentell design, beroende på de speciella förhållandena på det kontaminerade stället, typen av föroreningar som ska behandlas och organismerna som ska appliceras.

Det är då nödvändigt att dessa processer styrs av tvärvetenskapliga grupper av specialister, bland vilka måste vara biologer, kemister, ingenjörer, bland andra.

Bibehållandet av de fysikalisk-kemiska förhållandena i miljön för att gynna tillväxt och metabolisk aktivitet av intresse innebär ett permanent arbete under bioremedieringsprocessen.

Tid som krävs

Slutligen kan bioremedieringsprocesser ta längre tid än konventionella fysisk-kemiska processer.

referenser

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediering av kontaminerad jord med använt olja med fjäderfäkull. 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 begränsar teknik för bioremediering". Bioresource Technology. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY och Schoeder, D. (1999). Principer för Biorecovery. McGraw-Hill Interamericana i Spanien, Madrid. sid 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA och Brock, T. (2015). Brock biologi av mikroorganismer. 14 ed. Benjamin Cummings. sid 1041.
6. McKinney, RE (2004). Miljöföroreningskontrollmikrobiologi. M. Dekker. sid 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15-39.