Bioremediation: Eigenschaften, Arten, Vor- und Nachteile

Bioremediation ist eine Reihe von Biotechnologien für die Umweltsanierung, bei denen die Stoffwechselkapazität von Bakterien, Pilzen, Pflanzen und / oder ihren isolierten Enzymen genutzt wird, um Verunreinigungen in Boden und Wasser zu beseitigen.

Mikroorganismen (Bakterien und Pilze) und einige Pflanzen können eine Vielzahl von giftigen und umweltschädlichen organischen Verbindungen biotransformieren, wodurch sie unschädlich oder harmlos werden. Sie können sogar einige organische Verbindungen in ihre einfachsten Formen wie Methan (CH ₄ ) und Kohlendioxid (CO ₂ ) biologisch abbauen.

Auch einige Mikroorganismen und Pflanzen können toxische chemische Elemente, wie Schwermetalle, extrahieren oder in der Umwelt ( in situ) immobilisieren. Durch die Immobilisierung des Giftstoffs in der Umwelt steht er lebenden Organismen nicht mehr zur Verfügung und beeinträchtigt sie daher nicht.

Daher ist die Abnahme der Bioverfügbarkeit einer toxischen Substanz auch eine Form der Bioremediation, obwohl dies nicht die Eliminierung der Substanz aus dem Medium impliziert.

Derzeit besteht ein wachsendes wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse an der Entwicklung wirtschaftlicher Technologien mit geringen Umweltauswirkungen (oder "umweltfreundlich") wie der biologischen Sanierung von Oberflächenwasser, Grundwasser, Schlamm und kontaminiertem Boden.

Merkmale der Bioremediation

Kontaminanten, die bioremediiert werden können

Zu den Schadstoffen, die biologisch saniert wurden, zählen unter anderem Schwermetalle, radioaktive Substanzen, giftige organische Schadstoffe, explosive Substanzen, organische Verbindungen aus Erdöl (polyaromatische Kohlenwasserstoffe oder HPAs) und Phenole.

Physikochemische Bedingungen während der Bioremediation

Da Bioremediationsprozesse von der Aktivität von Mikroorganismen und lebenden Pflanzen oder ihren isolierten Enzymen abhängen, müssen die geeigneten physikochemischen Bedingungen für jeden Organismus oder jedes enzymatische System eingehalten werden, um ihre metabolische Aktivität im Bioremediationsprozess zu optimieren.

Faktoren, die während des gesamten Bioremediationsprozesses optimiert und beibehalten werden müssen

- Konzentration und Bioverfügbarkeit des Schadstoffs unter Umweltbedingungen: Wenn er zu hoch ist, kann er denselben Mikroorganismen schaden, die in der Lage sind, ihn biologisch umzuwandeln.

-Die Luftfeuchtigkeit: Die Verfügbarkeit von Wasser ist sowohl für lebende Organismen als auch für die enzymatische Aktivität zellfreier biologischer Katalysatoren von entscheidender Bedeutung. In der Regel muss in Böden, die einer Bioremediation unterzogen werden, eine relative Luftfeuchtigkeit von 12 bis 25% eingehalten werden.

-Die Temperatur: muss in einem Bereich liegen, der das Überleben der angewendeten Organismen und / oder die erforderliche enzymatische Aktivität ermöglicht.

-Die bioverfügbaren Nährstoffe: essentiell für das Wachstum und die Vermehrung der interessierenden Mikroorganismen. Hauptsächlich müssen Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff sowie einige wichtige Mineralien kontrolliert werden.

- Der Säuregrad oder die Alkalinität des wässrigen Mediums oder der pH-Wert (Messung der H + -Ionen im Medium).

- Sauerstoffverfügbarkeit: In den meisten Bioremediationstechniken werden aerobe Mikroorganismen verwendet (z. B. bei der Kompostierung, Biopiles und Landfarming ), und die Belüftung des Substrats ist erforderlich. Anaerobe Mikroorganismen können jedoch in Bioreaktionsprozessen unter streng kontrollierten Laborbedingungen (unter Verwendung von Bioreaktoren) eingesetzt werden.

Arten der Bioremediation

Zu den angewandten Bioremediations-Biotechnologien gehören:

Biostimulation

Die Biostimulation besteht aus der Stimulation in situ derjenigen Mikroorganismen, die sich bereits in dem kontaminierten Medium befinden (autochthone Mikroorganismen) und die zur Bioremediation des kontaminierenden Stoffes befähigt sind.

Die Biostimulation in situ wird erreicht, indem die physikochemischen Bedingungen für den gewünschten Prozess optimiert werden, d. H. unter anderem den pH-Wert, Sauerstoff, Feuchtigkeit, Temperatur und die Zugabe der notwendigen Nährstoffe.

Bioaugmentation

Die Bioaugmentation impliziert die Zunahme der Menge der interessierenden Mikroorganismen (vorzugsweise autochthon) dank der Zugabe ihrer im Labor kultivierten Impfstoffe.

Anschließend müssen nach dem Inokulieren der interessierenden Mikroorganismen in situ die physikochemischen Bedingungen optimiert werden (wie bei der Biostimulation), um die abbauende Aktivität der Mikroorganismen zu fördern.

Für die Anwendung der Bioaugmentation sollten die Kosten der Mikrobenkultur in Bioreaktoren im Labor berücksichtigt werden.

Sowohl die Biostimulation als auch die Bioaugmentation können mit allen anderen nachstehend beschriebenen Biotechnologien kombiniert werden.

Kompostierung

Bei der Kompostierung wird kontaminiertes Material mit nicht kontaminiertem Boden vermischt, der mit pflanzlichen oder tierischen Verbesserungsmitteln und Nährstoffen angereichert ist. Diese Mischung bildet bis zu 3 m hohe, voneinander getrennte Zapfen.

Die Sauerstoffversorgung der unteren Schichten der Zapfen sollte durch regelmäßiges Entfernen von einem Ort zum anderen mit Maschinen kontrolliert werden. Die optimalen Bedingungen für Luftfeuchtigkeit, Temperatur, pH-Wert, Nährstoffe usw. müssen ebenfalls eingehalten werden.

Biopiles

Die Bioremediationstechnik mit Biopiles entspricht der oben beschriebenen Kompostierungstechnik, mit Ausnahme von:

Das Fehlen von Verbesserungsmitteln pflanzlichen oder tierischen Ursprungs.
Die Beseitigung der Belüftung durch Bewegung von einem Ort zum anderen.

Die Biopiles bleiben an derselben Stelle fixiert und werden in ihren inneren Schichten durch ein Rohrsystem belüftet, dessen Kosten für Installation, Betrieb und Wartung bereits in der Planungsphase des Systems berücksichtigt werden müssen.

Landbau

Die Biotechnologie "Landfarming" (übersetzt aus dem Englischen: aus der Erde geschnitzt) besteht darin, das kontaminierte Material (Schlamm oder Sediment) mit den ersten 30 cm nicht kontaminierten Bodens eines ausgedehnten Landes zu mischen.

In diesen ersten Zentimetern des Bodens wird der Abbau von Schadstoffen durch Belüftung und Vermischung begünstigt. Für diese Arbeiten werden landwirtschaftliche Maschinen wie Pflugschlepper eingesetzt.

Der Hauptnachteil der Landbewirtschaftung besteht darin, dass zwangsläufig große Flächen benötigt werden, die für die Nahrungsmittelproduktion genutzt werden könnten.

Phytoremediation

Phytoremediation, auch Bioremediation genannt, unterstützt von Mikroorganismen und Pflanzen, ist eine Reihe von Biotechnologien, die auf der Verwendung von Pflanzen und Mikroorganismen zur Entfernung, Begrenzung oder Verringerung der Toxizität kontaminierender Substanzen in Oberflächen- oder Grundwasser, Schlamm und Boden basieren.

Während des Abbaus der Phytoremediation kann es zu einer Extraktion und / oder Stabilisierung (Verringerung der Bioverfügbarkeit) des Schadstoffs kommen. Diese Prozesse hängen von den Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen ab, die in einem als Rhizosphäre bezeichneten Gebiet sehr nahe an ihren Wurzeln leben.

Die Phytoremediation war besonders erfolgreich bei der Entfernung von Schwermetallen und radioaktiven Substanzen aus Boden und Oberflächen- oder Grundwasser (oder bei der Rhizofiltration von kontaminiertem Wasser).

In diesem Fall reichern die Pflanzen die Metalle der Umwelt in ihren Geweben an und werden dann unter kontrollierten Bedingungen geerntet und verbrannt, so dass der Schadstoff nicht mehr in der Umwelt verteilt, sondern in Form von Asche konzentriert wird.

Die erhaltene Asche kann behandelt werden, um das Metall wiederzugewinnen (wenn dies von wirtschaftlichem Interesse ist), oder sie kann an Orten der Endlagerung von Abfällen entsorgt werden.

Ein Nachteil der Phytoremediation ist die mangelnde Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Organismen (Pflanzen, Bakterien und möglicherweise Mykorrhizapilzen).

Auf der anderen Seite müssen Umweltbedingungen eingehalten werden, die den Bedürfnissen aller angewandten Agenturen entsprechen.

Bioreaktoren

Die Bioreaktoren sind Behälter von beträchtlicher Größe, die es ermöglichen, sehr kontrollierte physikalisch-chemische Bedingungen in wässrigen Kulturmedien aufrechtzuerhalten, um einen biologischen Prozess von Interesse zu begünstigen.

In den Bioreaktoren können bakterielle Mikroorganismen und Pilze in großem Maßstab und im Labor gezüchtet und dann in Bioaugmentationsprozessen in situ angewendet werden. Mikroorganismen können auch im Interesse der Gewinnung ihrer Enzyme, die kontaminierende Substanzen abbauen, kultiviert werden.

Bioreaktoren werden in Ex-situ- Bioremediationsprozessen verwendet, wenn das kontaminierte Substrat mit dem mikrobiellen Kulturmedium gemischt wird, was den Abbau des Kontaminanten begünstigt.

Die in den Bioreaktoren gezüchteten Mikroorganismen können sogar anaerob sein. In diesem Fall muss dem wässrigen Kulturmedium gelöster Sauerstoff fehlen.

Unter den Bioremediations-Biotechnologien ist die Verwendung von Bioreaktoren aufgrund der Wartung der Ausrüstung und der Anforderungen an die Mikrobenkultur relativ teuer.

Mikrokorrektur

Die Mikrokorrektur bezieht sich auf die Verwendung von Pilzmikroorganismen (mikroskopische Pilze) in Bioremediationsprozessen eines toxischen Schadstoffs.

Es ist zu berücksichtigen, dass die Kultivierung von mikroskopisch kleinen Pilzen in der Regel komplexer ist als die von Bakterien und daher höhere Kosten mit sich bringt. Darüber hinaus wachsen und vermehren sich Pilze langsamer als Bakterien, wobei die pilzunterstützte Bioremediation ein langsamerer Prozess ist.

Bioremediation versus konventionelle physikalische und chemische Technologien

-Vorteile

Bioremediations-Biotechnologien sind viel wirtschaftlicher und umweltfreundlicher als die herkömmlich angewandten chemischen und physikalischen Umwelthygienetechnologien.

Dies bedeutet, dass die Anwendung von Bioremediation eine geringere Auswirkung auf die Umwelt hat als herkömmliche physikalisch-chemische Verfahren.

Auf der anderen Seite können einige der in Bioremediationsprozessen eingesetzten Mikroorganismen die kontaminierenden Verbindungen mineralisieren und ihr Verschwinden aus der Umwelt sicherstellen, was mit den herkömmlichen physikalisch-chemischen Prozessen in einem einzigen Schritt schwierig zu erreichen ist.

-Nachteile und Aspekte zu berücksichtigen

In der Natur vorhandene mikrobielle Stoffwechselkapazitäten

Da nur 1% der in der Natur vorhandenen Mikroorganismen isoliert wurden, besteht eine Einschränkung der Bioremediation genau in der Identifizierung von Mikroorganismen, die einen bestimmten Schadstoff biologisch abbauen können.

Ignoranz des angewandten Systems

Andererseits funktioniert die Bioremediation mit einem komplexen System von zwei oder mehr lebenden Organismen, was im Allgemeinen nicht vollständig bekannt ist.

Einige untersuchte Mikroorganismen haben die kontaminierenden Verbindungen in noch giftigere Nebenprodukte umgewandelt. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Bioremediationsorganismen und ihre tiefgreifenden Wechselwirkungen vorher im Labor zu untersuchen.

Darüber hinaus müssen vor der Massenanwendung kleine Pilotversuche (im Feld) durchgeführt werden, und schließlich müssen die Vor- Ort- Bioremediationsprozesse überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Umwelthygiene ordnungsgemäß durchgeführt wird.

Extrapolation der im Labor erhaltenen Ergebnisse

Aufgrund der hohen Komplexität biologischer Systeme können die im Labor im kleinen Maßstab erzielten Ergebnisse nicht immer auf Prozesse im Feld hochgerechnet werden.

Besonderheiten jedes Bioremediationsprozesses

Jeder Bioremediationsprozess beinhaltet eine spezifische Versuchsanordnung, die den besonderen Bedingungen des kontaminierten Standorts, der Art der zu behandelnden Kontaminanten und den anzuwendenden Organismen entspricht.

Es ist daher notwendig, dass diese Prozesse von interdisziplinären Gruppen von Spezialisten gesteuert werden, darunter unter anderem Biologen, Chemiker und Ingenieure.

Die Aufrechterhaltung physikalisch-chemischer Umweltbedingungen zur Förderung des Wachstums und der Stoffwechselaktivität von Interesse impliziert eine permanente Aufgabe während des Bioremediationsprozesses.