Bioremediering: egenskaper, typer, fordeler og ulemper

Bioremediering er et sett med miljømessige sanitærbioteknologier som bruker metabolismen av bakterielle mikroorganismer, sopp, planter og / eller deres isolerte enzymer for å eliminere forurensninger i jord og vann.

Mikroorganismer (bakterier og sopp) og noen planter kan biotransformere et bredt spekter av giftige og forurensende organiske forbindelser, noe som gjør dem ikke skadelige eller ufarlige. De kan til og med nedbryte noen organiske forbindelser til deres enkleste former, for eksempel metan (CH ₄ ) og karbondioksid (CO ₂ ).

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

Derfor er reduksjonen i biotilgjengeligheten av et giftig stoff også en form for bioremediering, selv om det ikke innebærer eliminering av stoffet fra mediet.

For tiden er det økende vitenskapelig og kommersiell interesse for å utvikle økonomiske teknologier med lav miljøpåvirkning (eller "miljøvennlig"), for eksempel bioremediering av overflatevann, grunnvann, slam og forurenset jord.

Kjennetegn ved bioremediering

Forurensninger som kan bioremedieres

Blant forurensningene som har blitt bioremediert, er tungmetaller, radioaktive stoffer, giftige organiske forurensninger, eksplosive stoffer, organiske forbindelser avledet fra petroleum (polyaromatiske hydrokarboner eller HPAer), fenoler, blant andre.

Fysisk-kjemiske forhold under bioremediering

Fordi bioremedieringsprosesser er avhengige av aktiviteten til mikroorganismer og levende planter eller deres isolerte enzymer, må de aktuelle fysisk-kjemiske forholdene for hver organisme eller enzymatisk system opprettholdes for å optimalisere deres metabolske aktivitet i bioremedieringsprosessen.

Faktorer som må optimaliseres og vedlikeholdes gjennom hele bioremedieringsprosessen

- Forurensning og biotilgjengelighet av forurensningen under miljøforhold: fordi hvis det er for høyt, kan det være skadelig for de samme mikroorganismer som har kapasitet til å biotransformere dem.

-Fuktigheten: tilgjengeligheten av vann er avgjørende for levende organismer, så vel som for enzymatisk aktivitet av cellefrie biologiske katalysatorer. Vanligvis må en relativ luftfuktighet på 12 til 25% opprettholdes i jord som gjennomgår bioremediering.

Temperaturen: Må være i området som tillater overlevelse av de anvendte organismer og / eller den nødvendige enzymatiske aktiviteten.

- De biotilgjengelige næringsstoffene: essensielle for vekst og multiplikasjon av mikroorganismer av interesse. Kull, fosfor og nitrogen må hovedsakelig kontrolleres, så vel som noen viktige mineraler.

-Syrligheten eller alkaliteten av det vandige medium eller pH (måling av H + -ioner i mediet).

-Oksygentilgjengelighet: I de fleste biomedieteknikker brukes aerobiske mikroorganismer (for eksempel i kompostering, biopiler og landfarming ), og lufting av substratet er nødvendig. Imidlertid kan anaerobe mikroorganismer brukes i bioremedieringsprosesser under høyt kontrollerte laboratorieforhold (ved bruk av bioreaktorer).

Typer av bioremediering

Blant de anvendte bioremedisinene er bioteknologier følgende:

biostimulation

Biostimulering består av stimulering på stedet av de mikroorganismer som allerede er tilstede i mediet som var forurenset (autohytoniske mikroorganismer), som er i stand til å bioremediere forurensningsstoffet.

Biostimulering på stedet oppnås ved å optimalisere de fysisk-kjemiske forholdene for den ønskede prosessen skal forekomme, dvs. pH, oksygen, fuktighet, temperatur, blant annet, og tilsetning av nødvendige næringsstoffer.

bioaugmentation

Den bioaugmentering innebærer økningen av mengden av mikroorganismer av interesse (fortrinnsvis autochtonisk), takket være tilsetningen av deres inokulum dyrket i laboratoriet.

Deretter skal fysisk-kjemiske forhold når en gang er inokulert mikroorganismer av interesse in situ, bli optimalisert (for eksempel i biostimulering) for å fremme nedbrytningsaktiviteten til mikroorganismer.

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

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

kompostering

Kompostering består av å blande forurenset materiale med uforurenset jord tilsatt plante- eller dyreforbedrende stoffer og næringsstoffer. Denne blandingen danner kjegler opp til 3 m høye, skilt fra hverandre.

Oksygeneringen av de nedre lagene av kjeglene skal kontrolleres, ved regelmessig fjerning fra ett sted til et annet med maskineri. De optimale forholdene for fuktighet, temperatur, pH, næringsstoffer, blant annet, må også opprettholdes.

biocells

Bioremedieringsteknikken med biopiler er den samme som komposteringsteknikken beskrevet ovenfor, med unntak av:

Fraværet av forbedrende midler av vegetabilsk eller animalsk opprinnelse.
Eliminering av lufting ved bevegelse fra ett sted til et annet.

Biopilene forblir faste på samme sted, som luftes i deres indre lag gjennom et rørsystem, hvis kostnader for installasjon, drift og vedlikehold må vurderes fra designfasen av systemet.

landfarming

Bioteknologien kalt "landfarming", består av å blande det forurensede materialet (slam eller sediment) med de første 30 cm ukontaminert jord i et omfattende land.

I de første centimeter av jord favoriseres nedbrytningen av forurensende stoffer takket være lufting og blanding. For dette arbeidet brukes landbruksmaskiner, for eksempel plog traktorer.

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

phytoremediation

Fytoremediering, også kalt bioremediering assistert av mikroorganismer og planter, er et sett med bioteknologier basert på bruk av planter og mikroorganismer for å fjerne, begrense eller redusere toksisiteten av forurensende stoffer i overflate eller underjordisk vann, gjørme og jord.

Under nedbrytingen av fytoremedieringen kan det forekomme ekstraksjon og / eller stabilisering (reduksjon av biotilgjengeligheten) av forurensningen. Disse prosessene er avhengige av samspillet mellom planter og mikroorganismer som lever svært nær sine røtter, i et område kalt rhizosfæren .

Fytoremediering har vært spesielt vellykket i fjerning av tungmetaller og radioaktive stoffer fra jord og overflate eller grunnvann (eller rhizofiltrering av forurenset vann).

I dette tilfellet samler planterne metaller av miljøet i vevet, og deretter blir de høstet og forbrent under kontrollerte forhold, slik at forurensningen går fra å bli spredt i miljøet, for å være konsentrert i form av aske.

Den oppnådde aske kan behandles for å gjenvinne metallet (hvis det er av økonomisk interesse), eller de kan bli forlatt på steder for endelig deponering av avfall.

En ulempe med fytoremediering er mangelen på inngående kunnskap om interaksjonene som forekommer mellom de involverte organismer (planter, bakterier og muligens mykorrhizale sopp).

På den annen side må miljøforholdene opprettholdes som tilfredsstiller behovene til alle de anvendte byråene.

bioreaktorer

Bioreaktorene er beholdere av betydelig størrelse, som tillater å opprettholde meget kontrollerte fysisk-kjemiske forhold i vandige kulturmedier, med det formål å favorisere en biologisk prosess av interesse.

I bioreaktorene kan bakterielle mikroorganismer og sopp dyrkes i stor skala og i laboratoriet og deretter påføres i bioaugmenteringsprosesser på stedet. Mikroorganismer kan også dyrkes for å få deres enzymer nedbrytende forurensende stoffer.

Bioreaktorer brukes i ex situ bioremedieringsprosesser når det forurensede substratet blandes med det mikrobielle dyrkingsmedium, favoriserer forbrenningen av forurensningen.

Mikroorganismer som dyrkes i bioreaktorene kan til og med være anaerobe, i hvilket tilfelle det vandige kulturmedium må mangle oppløst oksygen.

Blant biomedisinske bioteknologier er bruken av bioreaktorer relativt dyr, på grunn av vedlikehold av utstyr og krav til mikrobiell kultur.

mycoremediation

Mikrobremsning refererer til bruk av soppmikroorganismer (mikroskopiske sopp) i bioremedieringsprosesser av en giftig forurensende substans.

Det bør vurderes at dyrking av mikroskopiske sopp er vanligvis mer kompleks enn for bakterier og derfor innebærer høyere kostnader. I tillegg vokser sopp og reproduserer sakte enn bakterier, med sopp-assistert bioremediering er en langsommere prosess.

Bioremediering versus konvensjonell fysisk og kjemisk teknologi

-Fordeler

Biomedisinske bioteknologier er mye mer økonomiske og miljøvennlige enn de kjemiske og fysiske miljømessige sanitære teknologiene som er vanlig anvendt.

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

På den annen side kan blant mikroorganismer som brukes i bioremedieringsprosesser, noen fortsette å mineralisere forurensende forbindelser, sikre deres forsvunnelse fra miljøet, noe vanskelig å oppnå i ett enkelt trinn med konvensjonelle fysisk-kjemiske prosesser.

- Ulemper og aspekter å vurdere

Mikrobielle metabolske egenskaper som eksisterer i naturen

Siden bare 1% av mikroorganismer som eksisterer i naturen er blitt isolert, er en begrensning av bioremediering nettopp identifikasjon av mikroorganismer som kan bionedbryte en bestemt forurensende substans.

Uvitenhet av det anvendte systemet

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

Noen mikroorganismer som studeres har biotransformert forurensende forbindelser til enda mer giftige biprodukter. Av denne grunn er det nødvendig å tidligere studere i laboratoriet de bioremedierende organismer og deres dybdegående interaksjoner.

I tillegg må småskala pilotforsøk (i feltet) utføres før massapplikasjon, og til slutt må in situ bioremedieringsprosesser overvåkes for å sikre at miljømessig sanitærisering skjer riktig.

Ekstrapolering av resultater oppnådd i laboratoriet

På grunn av den høye kompleksiteten av biologiske systemer, kan resultatene som oppnås i liten skala i laboratoriet ikke alltid ekstrapoleres til prosesser i feltet.

Særlighet i hver bioremedieringsprosess

Hver bioremedieringsprosess innebærer en bestemt eksperimentell utforming, i henhold til de spesielle forholdene på det forurensede området, typen av forurensning som skal behandles og organismer som skal påføres.

Det er derfor nødvendig at disse prosessene styres av tverrfaglige grupper av spesialister, blant annet blant annet biologer, kjemikere, ingeniører.

Vedlikehold av miljømessige fysisk-kjemiske forhold for å favorisere vekst og metabolsk aktivitet av interesse, innebærer en permanent oppgave under bioremedieringsprosessen.