Bioremediacja in situ
Bioremediacja to proces dekontaminacji zanieczyszczonych miejsc poprzez wykorzystanie mikroorganizmów endogennych lub zewnętrznych . In situ to termin używany w różnych dziedzinach oznaczający „na miejscu” i odnoszący się do miejsca zdarzenia. W kontekście bioremediacji in situ wskazuje, że lokalizacja bioremediacji nastąpiła w miejscu skażenia bez przemieszczania zanieczyszczonych materiałów. Bioremediacja służy do neutralizacji zanieczyszczeń, w tym węglowodorów , związków chloru, azotanów, metali toksycznych i innych zanieczyszczeń poprzez różne mechanizmy chemiczne. Mikroorganizmy wykorzystywane w procesie bioremediacji mogą być wszczepiane lub hodowane na miejscu poprzez stosowanie nawozów i innych składników odżywczych. Typowymi zanieczyszczonymi miejscami, na które ukierunkowana jest bioremediacja, są wody gruntowe/warstwy wodonośne i zanieczyszczone gleby. Ekosystemy wodne dotknięte wyciekami ropy również wykazały poprawę dzięki zastosowaniu bioremediacji. Najbardziej godne uwagi przypadki to wyciek ropy Deepwater Horizon w 2010 r. i wyciek ropy Exxon Valdez w 1989 r. Istnieją dwie odmiany bioremediacji, określone przez miejsce, w którym zachodzi proces. Bioremediacja ex situ odbywa się w miejscu oddzielonym od skażonego miejsca i obejmuje przemieszczanie zanieczyszczonego materiału. In situ występuje w miejscu zanieczyszczenia. Bioremediację in situ można dodatkowo podzielić na kategorie według zachodzącego metabolizmu, tlenowego i beztlenowego oraz poziomu zaangażowania człowieka.
Historia
Wyciek rurociągu Sun Oil w Ambler w Pensylwanii był bodźcem do pierwszego komercyjnego zastosowania bioremediacji in situ w 1972 r. W celu usunięcia węglowodorów z zanieczyszczonych miejsc. Patent został złożony w 1974 roku przez Richarda Raymonda, Reclamation of Hydrocarbon Contaminated Ground Waters, co dało podstawę do komercjalizacji bioremediacji in situ.
Klasyfikacje Bioremediacji In situ
Przyśpieszony
Przyspieszona bioremediacja in situ jest definiowana, gdy określony mikroorganizm jest ukierunkowany na wzrost poprzez zastosowanie składników odżywczych lub donora elektronów w zanieczyszczonym miejscu. W metabolizmie tlenowym składnikiem odżywczym dodawanym do gleby może być wyłącznie tlen. Beztlenowa bioremediacja in situ często wymaga różnych donorów lub akceptorów elektronów, takich jak benzoesan i mleczan. Poza substancjami odżywczymi mikroorganizmy mogą być wprowadzane bezpośrednio na miejsce w ramach przyspieszonej bioremediacji in situ. Dodanie obcych mikroorganizmów do miejsca nazywa się bioaugmentacją i jest stosowany, gdy określony mikroorganizm jest skuteczny w degradacji zanieczyszczenia w miejscu i nie występuje ani naturalnie, ani w wystarczająco dużej populacji, aby był skuteczny. Przyspieszona bioremediacja in situ jest stosowana, gdy pożądana populacja mikroorganizmów w danym miejscu nie jest naturalnie obecna na poziomie wystarczającym do skutecznego rozkładu zanieczyszczeń. Jest również stosowany, gdy wymagane składniki odżywcze w miejscu nie są w stężeniu wystarczającym do podtrzymania wzrostu lub są niedostępne.
Proces Raymonda
Proces Raymonda to rodzaj przyspieszonej bioremediacji in situ, który został opracowany przez Richarda Raymonda i obejmuje wprowadzenie składników odżywczych i akceptorów elektronów do zanieczyszczonego miejsca. Proces ten jest stosowany głównie do oczyszczania zanieczyszczonych wód gruntowych. W procesie Raymonda tworzony jest system pętli. Zanieczyszczona woda gruntowa z dolnego biegu wody gruntowej jest pompowana na powierzchnię i nasycana substancjami odżywczymi i donorem elektronów, często tlenem. Ta oczyszczona woda jest następnie pompowana z powrotem poniżej lustra wody powyżej miejsca, w którym został pierwotnie pobrany. Proces ten wprowadza składniki odżywcze i donory elektronów do miejsca, umożliwiając wzrost określonej populacji drobnoustrojów.
Wtrysk tlenu
W zanieczyszczonych miejscach, gdzie pożądany metabolizm mikroorganizmów jest tlenowy, wprowadzenie tlenu do miejsca może być wykorzystane do zwiększenia populacji docelowych mikroorganizmów. Wstrzykiwanie tlenu może odbywać się w różnych procesach. Tlen można wstrzykiwać pod powierzchnię przez studnie iniekcyjne. Można go również wprowadzić przez galerię iniekcji. Obecność tlenu w miejscu jest często czynnikiem ograniczającym przy określaniu ram czasowych i skuteczności proponowanego procesu bioremediacji in situ.
Wtrysk ozonu
Ozon wstrzykiwany pod powierzchnię może być również sposobem na wprowadzenie tlenu do zanieczyszczonego miejsca. Pomimo tego, że jest silnym środkiem utleniającym i potencjalnie ma toksyczny wpływ na podpowierzchniowe populacje drobnoustrojów, ozon może być skutecznym środkiem rozprowadzania tlenu w całym miejscu ze względu na jego wysoką rozpuszczalność. W ciągu dwudziestu minut po wstrzyknięciu pod powierzchnię pięćdziesiąt procent ozonu ulegnie rozkładowi na tlen. Ozon jest powszechnie wprowadzany do gleby w stanie rozpuszczonym lub gazowym.
Przyspieszona bioremediacja beztlenowa in situ
W ramach przyspieszonej bioremediacji beztlenowej in situ do skażonego miejsca wprowadzane są donory i akceptory elektronów w celu zwiększenia populacji mikroorganizmów beztlenowych.
Monitorowane naturalne tłumienie (MNA)
Monitorowana naturalna atenuacja to bioremediacja in situ, która zachodzi przy niewielkiej interwencji człowieka lub bez niej. Proces ten opiera się na naturalnych populacjach drobnoustrojów utrzymujących się w zanieczyszczonych miejscach, aby z czasem zredukować zanieczyszczenia do pożądanego poziomu. Podczas monitorowanego osłabienia naturalnego obiekt jest monitorowany w celu śledzenia postępu bioremediacji. Monitorowana naturalna atenuacja jest stosowana w miejscach, w których źródło zanieczyszczenia już nie występuje, często po przeprowadzeniu innych, bardziej aktywnych rodzajów bioremediacji in situ.
Zastosowania bioremediacji in situ
Degradacja węglowodorów
Naturalnie w glebie występują populacje drobnoustrojów, które wykorzystują węglowodory jako źródło energii i węgla. Ponad dwadzieścia procent populacji drobnoustrojów w glebie ma zdolność metabolizowania węglowodorów. Populacje te można wykorzystać do neutralizacji zanieczyszczeń węglowodorowych w glebie poprzez przyspieszoną lub naturalną, monitorowaną atenuację. Metaboliczny tryb rekultywacji węglowodorów jest głównie tlenowy. Produktami końcowymi remediacji węglowodorów są dwutlenek węgla i woda. Węglowodory różnią się pod względem łatwości rozkładu w zależności od ich struktury. Najskuteczniej degradowane są długołańcuchowe węgle alifatyczne. Krótkołańcuchowe, rozgałęzione i czwartorzędowe węglowodory alifatyczne są mniej skutecznie degradowane. Degradacja alkenów zależy od nasycenia łańcucha nasyconymi alkenami, które łatwiej ulegają degradacji. W glebie występuje duża liczba drobnoustrojów zdolnych do metabolizowania węglowodorów aromatycznych. Węglowodory aromatyczne są również podatne na degradację w wyniku metabolizmu beztlenowego. Metabolizm węglowodorów jest ważnym aspektem bioremediacji in situ ze względu na nasilenie wycieków ropy naftowej na całym świecie. Podatność wielopierścieniowych węgli aromatycznych na degradację jest związana z liczbą pierścieni aromatycznych w obrębie związku. Związki z dwoma lub trzema pierścieniami ulegają degradacji w efektywnym tempie, ale związki z czterema lub więcej pierścieniami mogą być bardziej odporne na działania bioremediacyjne. Degradacja wielopierścieniowych węgli aromatycznych z mniej niż czterema pierścieniami jest dokonywana przez różne drobnoustroje tlenowe obecne w glebie. Tymczasem w przypadku związków o większych rozmiarach cząsteczkowych jedynym trybem metabolicznym, który okazał się skuteczny, jest tryb metaboliczny kometabolizm . Rodzaj grzyba Phanerochaete w warunkach beztlenowych ma gatunki zdolne do metabolizowania niektórych wielopierścieniowych węgli aromatycznych z wykorzystaniem enzymu peroksydazy.
Związki chlorowane
Chlorowane związki alifatyczne
Istnieje wiele trybów metabolicznych zdolnych do degradacji chlorowanych związków alifatycznych . Redukcja beztlenowa, utlenianie związku i kometabolizm w warunkach tlenowych to trzy główne tryby metaboliczne wykorzystywane przez mikroorganizmy do degradacji chlorowanych związków alifatycznych. Organizmy, które mogą łatwo metabolizować chlorowane związki alifatyczne, nie są powszechne w środowisku. Jeden i dwa atomy węgla, które mają niewielkie chlorowanie, są związkami najskuteczniej metabolizowanymi przez populacje drobnoustrojów glebowych. Degradacja chlorowanych związków alifatycznych odbywa się najczęściej na drodze kometabolizmu.
Chlorowane węglowodory aromatyczne
Chlorowane węglowodory aromatyczne są odporne na bioremediację, a wiele mikroorganizmów nie ma zdolności do degradacji tych związków. Chlorowane węglowodory aromatyczne są najczęściej rozkładane w procesie redukcyjnego odchlorowania w warunkach beztlenowych. Polichlorowane bifenyle (PCB) są głównie rozkładane w wyniku kometabolizmu. Istnieją również grzyby, które również mogą rozkładać te związki. Badania pokazują wzrost degradacji PCB, gdy bifenyl jest dodawany do miejsca z powodu efektów kometabolicznych, jakie enzymy stosowane do degradacji bifenylu wywierają na PCB.
Korzyści
Ze względu na bioremediację in situ odbywającą się w miejscu zanieczyszczenia istnieje mniejsze ryzyko zanieczyszczenia krzyżowego w przeciwieństwie do bioremediacji ex situ, w której zanieczyszczony materiał jest transportowany do innych miejsc. Bioremediacja in situ może również wiązać się z niższymi kosztami i wyższym wskaźnikiem dekontaminacji niż bioremediacja ex situ.