BIOREHABILITĀCIJA: RAKSTUROJUMS, VEIDI, PRIEKŠROCĪBAS UN TRŪKUMI - BIOLOĢIJA - 2025

Bioloģiskā attīrīšanās ir noteikts biotehnoloģiju sanitārijas izmantojot vielmaiņas spējas baktēriju mikroorganismu, sēņu, augu un / vai izolēts fermentiem, lai atdalītu piemaisījumus augsnē un ūdenī.

Mikroorganismi (baktērijas un sēnītes) un daži augi var biotransformēt visdažādākos piesārņojošos un toksiskos organiskos savienojumus, līdz tie nav kaitīgi vai nekaitīgi. Viņi pat var bioloģiski sadalīties dažos organiskos savienojumos to vienkāršākajās formās, piemēram, metānā (CH ₄ ) un oglekļa dioksīdā (CO ₂ ).

1. attēls. Vides piesārņojums ar naftas noplūdi, vēlāk apstrādāts ar bioloģisko sanāciju Avots: commons.wikimedia.org

Daži mikroorganismi un augi var arī iegūt vai imobilizēt vidē toksiskus ķīmiskos elementus, piemēram, smagos metālus (in situ). Imobilizējot toksisko vielu vidē, tā vairs nav pieejama dzīvajiem organismiem, tāpēc tā tos neietekmē.

Tāpēc toksiskas vielas biopieejamības samazināšana ir arī bioloģiskās rehabilitācijas veids, kaut arī tas nenozīmē vielas noņemšanu no apkārtējās vides.

Pašlaik pieaug zinātniskā un komerciālā interese attīstīt ekonomiskas un zemas ietekmes uz vidi (vai “videi draudzīgas”) tehnoloģijas, piemēram, virszemes un gruntsūdeņu, dūņu un piesārņotu augsņu bioloģisko sanāciju.

Bioremedicācijas raksturojums

Piesārņotāji, kurus var reģenerēt bioloģiski

Starp bioloģiski revidētajiem piesārņotājiem cita starpā var minēt smagos metālus, radioaktīvās vielas, toksiskos organiskos piesārņotājus, sprādzienbīstamās vielas, no naftas iegūtos organiskos savienojumus (poliaromātiskos ogļūdeņražus vai HPA), fenolus.

Fizikāli ķīmiskie apstākļi bioremediācijas laikā

Tā kā biorehabilitācijas procesi ir atkarīgi no mikroorganismu un dzīvo augu vai no tiem izolēto enzīmu aktivitātes, katram organismam vai enzīmu sistēmai ir jāuztur atbilstoši fizikāli ķīmiskie apstākļi, lai bioremediācijas procesā optimizētu to metabolisma aktivitāti.

Faktori, kas jāoptimizē un jāuztur visā biorehabilitācijas procesā

- Piesārņojošās vielas koncentrācija un bioloģiskā pieejamība vides apstākļos: jo, ja tā ir pārāk augsta, tā var būt kaitīga tiem pašiem mikroorganismiem, kuriem ir spēja tos biotransformēt.

- Mitrums: ūdens pieejamība ir būtiska dzīviem organismiem, kā arī bioloģisko katalizatoru bez šūnām fermentatīvajai darbībai. Parasti augsnēs, kurās notiek biorehabilitācija, jāuztur relatīvais mitrums no 12 līdz 25%.

-Temperatūra: tai jābūt diapazonā, kas ļauj izdzīvot uzlietotajiem organismiem un / vai nepieciešamo fermentatīvo aktivitāti.

- Bioloģiski pieejamās barības vielas: būtiskas interesējošo mikroorganismu augšanai un pavairošanai. Galvenokārt jākontrolē ogleklis, fosfors un slāpeklis, kā arī daži svarīgi minerāli.

-Ūdens vides skābums vai sārmainība vai pH (barotnē H ⁺ jonu mērīšana ).

-Skābekļa pieejamība: lielākajā daļā biorehabilitācijas paņēmienu tiek izmantoti aerobie mikroorganismi (piemēram, kompostēšanā, biopilā un “atkritumu savākšanā”), un ir nepieciešams substrāta aerācija. Tomēr anaerobos mikroorganismus var izmantot biorehabilitācijas procesos, ļoti kontrolētos apstākļos laboratorijā (izmantojot bioreaktorus).

Bioremedicācijas veidi

Starp izmantotajām bioremedicācijas biotehnoloģijām ir šādas:

Biostimulācija

Biostimulācija sastāv no to mikroorganismu stimulēšanas in situ, kas jau atrodas vidē un ir piesārņoti (autohtoni mikroorganismi), kuri spēj bioloģiski atkārtoti izmantot piesārņojošo vielu.

Biostimulāciju in situ panāk, optimizējot fizikāli ķīmiskos apstākļus vēlamā procesa norisei, tas ir; pH, skābeklis, mitrums, temperatūra, cita starpā, un nepieciešamo barības vielu pievienošana.

Bioaugmentācija

Bioaugmentācija ir saistīta ar interesējošo mikroorganismu (vēlams autohtonisko) daudzuma palielināšanu, pateicoties laboratorijā audzēto inokulātu pievienošanai.

Pēc tam, kad interesējošie mikroorganismi ir inokulēti in situ, ir jāoptimizē fizikāli ķīmiskie apstākļi (piemēram, biostimulācijā), lai veicinātu mikroorganismu degradējošo aktivitāti.

Lai piemērotu bioaugmentāciju, jāapsver mikrobu kultūras izmaksas bioreaktoros laboratorijā.

Gan biostimulāciju, gan bioaugmentāciju var apvienot ar visām citām zemāk aprakstītajām biotehnoloģijām.

Kompostēšana

Kompostēšana sastāv no piesārņotā materiāla sajaukšanas ar nepiesārņotu augsni, kas papildināta ar augu vai dzīvnieku selekcijas līdzekļiem un barības vielām. Šis maisījums veido konusus, kuru augstums ir līdz 3 m, ar atstatumu.

Konusu apakšējo slāņu skābekļa padeve jākontrolē, tos regulāri pārvietojot no vienas vietas uz otru ar mašīnām. Jāsaglabā arī optimāli mitruma, temperatūras, pH un barības vielu apstākļi.

Biopilles

Biorehabilitācijas tehnika ar biopilām ir tāda pati kā iepriekš aprakstītā kompostēšanas tehnika, izņemot:

• Augu vai dzīvnieku selekcijas līdzekļu neesamība.
• Aerācijas novēršana, pārvietojoties no vienas vietas uz otru.

Biopili paliek nemainīgi tajā pašā vietā, un caur caurulēm to iekšējos slāņos aerē, kuru uzstādīšanas, ekspluatācijas un uzturēšanas izmaksas ir jāņem vērā no sistēmas projektēšanas fāzes.

Lauku saimniecība

Biotehnoloģiju, ko sauc par “zemes izkopšanu” (tulkots no angļu valodas: zemes apstrāde), veido piesārņotā materiāla (dubļu vai nogulumu) sajaukšana ar pirmajiem 30 cm nepiesārņotas lielas platības augsnes.

Šajos pirmajos augsnes centimetros piesārņojošo vielu noārdīšanās ir labvēlīga, pateicoties tās aerācijai un sajaukšanai. Šiem uzdevumiem izmanto lauksaimniecības tehniku, piemēram, arklu traktorus.

Galvenais lauksaimniecības produkcijas trūkums ir tas, ka tai noteikti nepieciešami lieli zemes gabali, kurus varētu izmantot pārtikas ražošanai.

Fitoremediācija

Fitorehabilitācija, ko sauc arī par mikroorganismu un augu atbalstītu bioremediāciju, ir biotehnoloģiju kopums, kura pamatā ir augu un mikroorganismu izmantošana, lai noņemtu, ierobežotu vai samazinātu piesārņojošo vielu toksicitāti virszemes vai pazemes ūdeņos, dūņās un augsnēs.

Fitoremedicācijas laikā var notikt piesārņotāja sadalīšanās, ekstrakcija un / vai stabilizācija (biopieejamības samazināšanās). Šie procesi ir atkarīgi no mijiedarbības starp augiem un mikroorganismiem, kas dzīvo ļoti tuvu saknēm, apgabalā, ko sauc par rizosfēru.

2. attēls. Ar augiem un mikroorganismiem piesārņota ūdens bioloģiskā sanācija. Avots: Wikyhelper, no Wikimedia Commons

Fitoremediācija ir bijusi īpaši veiksmīga smago metālu un radioaktīvo vielu noņemšanā no augsnes un virszemes vai gruntsūdeņiem (vai piesārņota ūdens rizofiltrēšana).

Šajā gadījumā augi savos audos uzkrāj metālus no apkārtējās vides, pēc tam tos novāc un sadedzina kontrolētos apstākļos, lai piesārņotājs nokļūtu vidē un koncentrētos pelnu veidā.

Iegūtos pelnus var apstrādāt, lai atgūtu metālu (ja tas ir ekonomiski svarīgi), vai arī tos var pamest atkritumu galīgās apglabāšanas vietās.

Fitoremedicācijas trūkums ir padziļinātu zināšanu trūkums par mijiedarbību, kas notiek starp iesaistītajiem organismiem (augiem, baktērijām un, iespējams, mikorizas sēnēm).

No otras puses, ir jāsaglabā vides apstākļi, kas atbilst visu izmantoto organismu vajadzībām.

Bioreaktori

Bioreaktori ir ievērojama izmēra konteineri, kas ļauj uzturēt ļoti kontrolētus fizikāli ķīmiskos apstākļus ūdens barotnēs, lai veicinātu interesējošu bioloģisko procesu.

Baktēriju mikroorganismus un sēnītes var plaši kultivēt laboratorijā bioreaktoros un pēc tam izmantot in situ bioaugmentācijas procesos. Mikroorganismus var kultivēt arī tāpēc, lai iegūtu to piesārņotājus noārdošos fermentus.

Bioreaktorus izmanto ex situ biorehabilitācijas procesos, sajaucot piesārņoto substrātu ar mikrobu barotni, veicinot piesārņotāja sadalīšanos.

Mikroorganismi, kas audzēti bioreaktoros, var būt pat anaerobi, un tādā gadījumā ūdens barotnē nedrīkst būt izšķīdināta skābekļa.

3. attēls. Bioreators. Avots: es.m.wikipedia.org

Starp biorehabilitācijas biotehnoloģijām bioreaktoru izmantošana ir salīdzinoši dārga, pateicoties aprīkojuma uzturēšanai un mikrobu kultūras prasībām.

Mikroremediācija

Sēnīšu mikroorganismu (mikroskopisko sēņu) izmantošanu toksiska piesārņotāja bioremedicācijas procesos sauc par mikoremediāciju.

Jāņem vērā, ka mikroskopisko sēņu kultivēšana parasti ir sarežģītāka nekā baktēriju, un tāpēc tas nozīmē augstākas izmaksas. Turklāt sēnītes aug un reproducējas lēnāk nekā baktērijas, un sēnīšu bioremediācija ir lēnāks process.

Biorehabilitācija salīdzinājumā ar parastajām fizikālajām un ķīmiskajām tehnoloģijām

-Priekšrocība

Biorehabilitācijas biotehnoloģijas ir daudz ekonomiskākas un videi draudzīgākas nekā tradicionāli izmantotās ķīmiskās un fizikālās vides sanitārijas tehnoloģijas.

Tas nozīmē, ka bioremedicācijas ietekmei uz vidi ir mazāka nekā parastajai fizikāli ķīmiskajai praksei.

No otras puses, starp mikroorganismiem, ko izmanto biorehabilitācijas procesos, daži pat var mineralizēt piesārņojošos savienojumus, nodrošinot to izzušanu no apkārtējās vides, kaut ko grūti sasniegt vienā solī ar parastajiem fizikāli ķīmiskajiem procesiem.

- Trūkumi un aspekti, kas jāņem vērā

Dabā esošās mikrobu metabolisma spējas

Ņemot vērā, ka tikai 1% dabā esošo mikroorganismu ir izolēti, bioloģiskās sanācijas ierobežojums ir tieši tādu mikroorganismu identificēšana, kuri spēj bioloģiski sadalīties noteiktā piesārņojošā vielā.

Trūkst zināšanu par piemēroto sistēmu

No otras puses, bioremediācija darbojas ar sarežģītu divu vai vairāku dzīvo organismu sistēmu, kas parasti nav pilnībā izprotama.

Dažos pētītajos mikroorganismos piesārņojošie savienojumi ir biotransformēti vēl toksiskākos blakusproduktos. Šī iemesla dēļ iepriekš laboratorijā ir nepieciešams padziļināti izpētīt bioremediācijas organismus un to mijiedarbību.

Turklāt pirms masveida piemērošanas jāveic neliela mēroga izmēģinājumi (uz lauka), un, visbeidzot, uz vietas jāuzrauga biorehabilitācijas procesi, lai garantētu, ka vides sanitārija notiek pareizi.

Laboratorijā iegūto rezultātu ekstrapolācija

Tā kā bioloģiskās sistēmas ir ļoti sarežģītas, nelielā apjomā laboratorijā iegūtus rezultātus ne vienmēr var ekstrapolēt uz lauka procesiem.

Katra biorehabilitācijas procesa īpatnības

Katrs biorehabilitācijas process ietver īpašu eksperimenta dizainu, ņemot vērā piesārņotās vietas īpašos apstākļus, apstrādājamā piesārņotāja veidu un pielietojamos organismus.

Tad ir nepieciešams, lai šos procesus virzītu starpdisciplināras speciālistu grupas, starp kurām cita starpā būtu jābūt biologiem, ķīmiķiem, inženieriem.

Vides fizikāli ķīmisko apstākļu uzturēšana, lai veicinātu interesējošo augšanu un metabolisma aktivitāti, nozīmē pastāvīgu darbu biorehabilitācijas procesā.

Nepieciešamais laiks

Visbeidzot, biorehabilitācijas procesi var aizņemt ilgāku laiku nekā parastie fizikāli ķīmiskie procesi.

Atsauces

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Ar izlietotu eļļu piesārņotu augsņu biorehabilitācija, izmantojot mājputnu pakaišus. Pētniecības žurnāls inženierzinātnēs un lietišķajās zinātnēs3 (2) 124–130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediācija, biostimulācija un bioaugmentācija: pārskats". Starptautiskais žurnāls par vides bioloģisko sanāciju un bioloģisko noārdīšanos. 3 (1): 28. – 39.
3. Boopathy, R. (2000). "Bioremedicācijas tehnoloģijas ierobežojošie faktori". Bioresursu tehnoloģija. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY un Schoder, D. (1999). Bioreģenerācijas principi. McGraw-Hill Interamericana no Spānijas, Madride. 296. lpp.
5. Madigans, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA un Brock, T. (2015). Broka mikroorganismu bioloģija. 14 ed. Bendžamins Cummings. 1041 lpp.
6. Makkinijs, RE (2004). Vides piesārņojuma kontroles mikrobioloģija. M. Dekkers. 453. lpp.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fitoremediācija. Annu. Atkl. Plant Biol., 56: 15-39.