БИОВОССТАНОВЛЕНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДЫ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Биоремедиация представляет собой набор биотехнологий санитарии , используя метаболические возможности бактериальных микроорганизмов, грибов, растений и / или изолированных ферментов, для удаления загрязняющих веществ в почве и воде.

Микроорганизмы (бактерии и грибы) и некоторые растения могут биотрансформировать широкий спектр загрязняющих и токсичных органических соединений, пока они не станут вредными или безвредными. Они могут даже разлагать некоторые органические соединения до их простейших форм, таких как метан (CH ₄ ) и диоксид углерода (CO ₂ ).

Рис. 1. Загрязнение окружающей среды в результате разлива нефти, позднее подвергшегося биоремедиации. Источник: commons.wikimedia.org

Некоторые микроорганизмы и растения могут также извлекать или иммобилизовать токсичные химические элементы, такие как тяжелые металлы, в окружающей среде (in situ). Обездвиживая токсичное вещество в окружающей среде, оно больше не доступно для живых организмов и, следовательно, не влияет на них.

Следовательно, снижение биодоступности токсичного вещества также является формой биоремедиации, хотя оно не подразумевает удаления вещества из окружающей среды.

В настоящее время растет научный и коммерческий интерес к разработке недорогих и малоэффективных (или «экологически чистых») технологий, таких как биоремедиация поверхностных и грунтовых вод, ила и загрязненных почв.

Характеристики биоремедиации

Загрязнения, которые могут быть подвергнуты биологической очистке

К загрязнителям, подвергшимся биологической очистке, относятся тяжелые металлы, радиоактивные вещества, токсичные органические загрязнители, взрывчатые вещества, органические соединения, полученные из нефти (полиароматические углеводороды или HPA), фенолы и другие.

Физико-химические условия при биоремедиации

Поскольку процессы биоремедиации зависят от активности микроорганизмов и живых растений или их изолированных ферментов, необходимо поддерживать соответствующие физико-химические условия для каждого организма или ферментной системы, чтобы оптимизировать их метаболическую активность в процессе биоремедиации.

Факторы, которые необходимо оптимизировать и поддерживать на протяжении всего процесса биоремедиации

-Концентрация и биодоступность загрязняющего вещества в условиях окружающей среды: поскольку, если она слишком высока, она может быть вредной для тех же микроорганизмов, которые обладают способностью к их биотрансформации.

-Влажность: наличие воды важно для живых организмов, а также для ферментативной активности бесклеточных биологических катализаторов. Как правило, в почвах, подвергающихся биоремедиации, должна поддерживаться относительная влажность от 12 до 25%.

-Температура: она должна быть в диапазоне, обеспечивающем выживание применяемых организмов и / или необходимую ферментативную активность.

-Биодоступные питательные вещества: необходимы для роста и размножения интересующих микроорганизмов. В основном необходимо контролировать углерод, фосфор и азот, а также некоторые важные минералы.

-Кислотность или щелочность водной среды или pH (измерение ионов H ⁺ в среде).

-Доступность кислорода: в большинстве методов биоремедиации используются аэробные микроорганизмы (например, при компостировании, биологических штабелях и «земледелии»), и необходима аэрация субстрата. Однако анаэробные микроорганизмы можно использовать в процессах биоремедиации в строго контролируемых лабораторных условиях (с использованием биореакторов).

Виды биоремедиации

Среди применяемых биотехнологий биоремедиации можно выделить следующие:

Биостимуляция

Биостимуляция состоит из стимуляции in situ тех микроорганизмов, которые уже присутствовали в окружающей среде, которая была заражена (автохтонные микроорганизмы), способных к биологическому восстановлению загрязняющего вещества.

Биостимуляция in situ достигается за счет оптимизации физико-химических условий для протекания желаемого процесса, то есть; pH, кислород, влажность, температура, среди прочего, и добавление необходимых питательных веществ.

Биоаугментация

Биоаугментация предполагает увеличение количества представляющих интерес микроорганизмов (предпочтительно автохтонных) благодаря добавлению их инокулята, выращенного в лаборатории.

Впоследствии, как только представляющие интерес микроорганизмы были инокулированы in situ, необходимо оптимизировать физико-химические условия (например, при биостимуляции), чтобы способствовать разрушающей активности микроорганизмов.

Для применения биоаугментации необходимо учитывать затраты на культивирование микробов в биореакторах в лаборатории.

И биостимуляцию, и биоаугментацию можно сочетать со всеми другими биотехнологиями, описанными ниже.

Компостирование

Компостирование заключается в смешивании загрязненного материала с незагрязненной почвой с добавлением агентов разведения растений или животных и питательных веществ. Эта смесь образует разнесенные шишки высотой до 3 м.

Окисление нижних слоев колбочек необходимо контролировать путем их регулярного перемещения с одного участка на другой с помощью механизмов. Кроме того, необходимо поддерживать оптимальные условия влажности, температуры, pH, питательных веществ.

Biopiles

Техника биоремедиации с использованием биопакетов такая же, как и метод компостирования, описанный выше, за исключением:

• Отсутствие селекционных агентов растительного или животного происхождения.
• Устранение аэрации перемещением с одного участка на другой.

Биологические штабели остаются закрепленными на одном и том же месте, а их внутренние слои вентилируются через систему труб, затраты на установку, эксплуатацию и техническое обслуживание которых необходимо учитывать на этапе проектирования системы.

запахивание в почву

Биотехнология, называемая «Landfarming» (в переводе с английского: обработка земли), заключается в смешивании загрязненного материала (ила или осадка) с первыми 30 см незагрязненной почвы большой площади.

В этих первых сантиметрах почвы разложению загрязняющих веществ способствует ее аэрация и перемешивание. Для этих задач используется сельскохозяйственная техника, например, тракторы-плуги.

Основным недостатком земледелия является то, что для него обязательно требуются большие участки земли, которые можно было бы использовать для производства продуктов питания.

Фиторемедиация

Фиторемедиация, также называемая биоремедиацией с помощью микроорганизмов и растений, представляет собой набор биотехнологий, основанный на использовании растений и микроорганизмов для удаления, ограничения или снижения токсичности загрязняющих веществ в поверхностных или подземных водах, илах и почвах.

Во время фиторемедиации может происходить разложение, извлечение и / или стабилизация (снижение биодоступности) загрязнителя. Эти процессы зависят от взаимодействия между растениями и микроорганизмами, которые живут очень близко к их корням, в области, называемой ризосферой.

Рисунок 2. Биоремедиация воды, загрязненной растениями и микроорганизмами. Источник: Wikyhelper, из Wikimedia Commons.

Фиторемедиация оказалась особенно успешной при удалении тяжелых металлов и радиоактивных веществ из почвы, поверхностных или подземных вод (или ризофильтрации загрязненной воды).

В этом случае растения накапливают металлы из окружающей среды в своих тканях, а затем собирают и сжигают в контролируемых условиях, так что загрязнитель переходит от рассеивания в окружающей среде к концентрации в виде золы.

Полученная зола может быть переработана для извлечения металла (если это представляет экономический интерес) или может быть оставлена ​​в местах окончательного захоронения отходов.

Недостатком фиторемедиации является отсутствие глубоких знаний о взаимодействиях, которые происходят между вовлеченными организмами (растениями, бактериями и, возможно, микоризными грибами).

С другой стороны, необходимо поддерживать условия окружающей среды, которые удовлетворяют потребности всех применяемых организмов.

биореакторы

Биореакторы представляют собой контейнеры значительного размера, которые позволяют поддерживать строго контролируемые физико-химические условия в водных культуральных средах с целью содействия интересующему биологическому процессу.

Бактериальные микроорганизмы и грибы можно в больших масштабах культивировать в лаборатории в биореакторах, а затем применять в процессах биоаугментации in situ. Микроорганизмы также можно культивировать с целью получения их ферментов, разлагающих загрязнители.

Биореакторы используются в процессах биоремедиации ex situ путем смешивания загрязненного субстрата со средой для культивирования микроорганизмов, что способствует разложению загрязнителя.

Микроорганизмы, выращиваемые в биореакторах, могут быть даже анаэробными, и в этом случае водная культуральная среда должна быть лишена растворенного кислорода.

Рисунок 3. Биореактор. Источник: es.m.wikipedia.org

Среди биотехнологий биоремедиации использование биореакторов является относительно дорогостоящим из-за технического обслуживания оборудования и требований к микробным культурам.

Microremediation

Использование грибковых микроорганизмов (микроскопических грибов) в процессах биоремедиации токсичных загрязняющих веществ называется микорремедиацией.

Следует учитывать, что выращивание микроскопических грибов обычно сложнее, чем культивирование бактерий, и поэтому требует более высоких затрат. Кроме того, грибы растут и размножаются медленнее, чем бактерии, а биоремедиация с помощью грибков является более медленным процессом.

Биоремедиация по сравнению с обычными физико-химическими технологиями

-Преимущество

Биотехнологии биоремедиации намного более экономичны и экологически безопасны, чем традиционные химические и физические технологии очистки окружающей среды.

Это означает, что применение биоремедиации оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные физико-химические методы.

С другой стороны, среди микроорганизмов, применяемых в процессах биоремедиации, некоторые могут даже минерализовать загрязняющие соединения, обеспечивая их исчезновение из окружающей среды, чего трудно достичь за один этап с помощью обычных физико-химических процессов.

-Недостатки и аспекты, которые следует учитывать

Возможности микробного обмена, существующие в природе

Учитывая, что только 1% существующих в природе микроорганизмов был изолирован, ограничением биоремедиации является как раз идентификация микроорганизмов, способных к биоразложению конкретного загрязняющего вещества.

Незнание применяемой системы

С другой стороны, биоремедиация работает со сложной системой из двух или более живых организмов, что, как правило, до конца не изучено.

Некоторые изученные микроорганизмы биотрансформировали загрязняющие вещества в еще более токсичные побочные продукты. По этой причине необходимо предварительно глубоко изучить организмы биоремедиации и их взаимодействия в лаборатории.

Кроме того, перед их массовым применением должны проводиться мелкомасштабные пилотные испытания (в полевых условиях), и, наконец, процессы биоремедиации должны контролироваться на месте, чтобы гарантировать, что оздоровление окружающей среды происходит правильно.

Экстраполяция результатов, полученных в лаборатории

Из-за высокой сложности биологических систем результаты, полученные в небольшом масштабе в лаборатории, не всегда могут быть экстраполированы на полевые процессы.

Особенности каждого процесса биоремедиации

Каждый процесс биоремедиации включает в себя особый экспериментальный план в соответствии с конкретными условиями загрязненного участка, типом загрязнителя, подлежащего обработке, и применяемыми организмами.

Затем необходимо, чтобы этими процессами руководили междисциплинарные группы специалистов, среди которых должны быть биологи, химики, инженеры и другие.

Поддержание физико-химических условий окружающей среды, способствующих интересующему росту и метаболической активности, предполагает постоянную работу в процессе биоремедиации.

Необходимое время

Наконец, процессы биоремедиации могут занимать больше времени, чем обычные физико-химические процессы.

Ссылки

1. Адамс, Г.О., Тавари-Фуфейин, П. Игеленях, Э. (2014). Биоремедиация загрязненных отработанными маслами почв с использованием птичьего помета. Научно-исследовательский журнал в области технических и прикладных наук3 (2) 124-130
2. Адамс, О. (2015). «Биоремедиация, биостимуляция и биоаугментация: обзор». Международный журнал экологической биоремедиации и биодегредации. 3 (1): 28–39.
3. Бупатия Р. (2000). «Факторы, ограничивающие технологии биоремедиации». Биоресурсные технологии. 74: 63–7. DOI: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY и Schoeder, D. (1999). Принципы биологического восстановления. McGraw-Hill Interamericana из Испании, Мадрид. 296 с.
5. Мэдиган, М.Т., Мартинко, Дж.М., Бендер, К.С., Бакли, Д.Х. Шталь, Д.А. и Брок, Т. (2015). Брок-биология микроорганизмов. 14 изд. Бенджамин Каммингс. С. 1041.
6. МакКинни, Р. Э. (2004). Микробиология контроля загрязнения окружающей среды. М. Деккер. С. 453.
7. Пилон-Смитс Э. 2005. Фиторемедиация. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15-39.