Биоремедиация - Bioremediation

Биоремедиация - это процесс, используемый для обработки загрязненных сред, включая воду, почву и подземный материал, путем изменения условий окружающей среды для стимуляции роста микроорганизмов и разложения целевых загрязнителей. Случаи, в которых обычно наблюдается биоремедиация, - это разливы нефти, почвы, загрязненные кислотными шахтными дренажами, утечки из подземных труб и очистка мест преступлений. Эти токсичные соединения метаболизируются ферментами, присутствующими в микроорганизмах. Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные реакции, в которых либо акцептор электронов (обычно кислород) добавляется для стимуляции окисления восстановленного загрязнителя (например, углеводородов), либо добавляется донор электронов (обычно органический субстрат) для уменьшения окисленных загрязнителей (нитрат, перхлорат). , окисленные металлы, хлорированные растворители, взрывчатые вещества и пропелленты). Биоремедиация используется для уменьшения воздействия побочных продуктов, возникающих в результате антропогенной деятельности, такой как индустриализация и сельскохозяйственные процессы. Во многих случаях биоремедиация менее затратна и более устойчива, чем другие альтернативы санации . Другие методы восстановления включают термодесорбцию , остекловывание , удаление воздуха , биовыщелачивание , ризофильтрацию и промывку почвы. Биологическая очистка, биоремедиация - это аналогичный подход, используемый для обработки отходов, включая сточные воды, промышленные отходы и твердые отходы. Конечная цель биоремедиации - удалить или уменьшить вредные соединения для улучшения качества почвы и воды.

Загрязняющие вещества могут быть удалены или уменьшены с помощью различных методов биологической очистки на месте или вне его . Методы биоремедиации классифицируются в зависимости от места лечения. При использовании методов in-situ загрязненные участки обрабатываются неразрушающим образом и с минимальными затратами. Принимая во внимание, что методы ex-situ обычно требуют выемки загрязненного участка, что увеличивает затраты. В обоих этих подходах могут быть добавлены дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы pH для оптимизации условий для микроорганизмов. В некоторых случаях добавляются специализированные микробные культуры ( биостимуляция ) для дальнейшего усиления биодеградации . Некоторыми примерами технологий, связанных с биоремедиацией, являются фиторемедиация , биовентиляция , биоаттенуация, биоразбрасывание , компостирование (биогалерея и валки) и земледелие .

Химия

Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные ( окислительно-восстановительные ) реакции, в которых химическое соединение отдает электрон ( донор электронов ) другому веществу, которое принимает электрон ( акцептор электронов ). Во время этого процесса донор электронов окисляется, а акцептор электронов восстанавливается. Обычные акцепторы электронов в процессах биоремедиации включают кислород , нитрат , марганец (III и IV), железо (III), сульфат , двуокись углерода и некоторые загрязнители (хлорированные растворители, взрывчатые вещества, окисленные металлы и радионуклиды). Доноры электронов включают сахара, жиры, спирты, природные органические вещества, топливные углеводороды и различные восстановленные органические загрязнители. Окислительно - восстановительный потенциал для общих реакций биотрансформации показано в таблице.

Процесс	Реакция	Редокс-потенциал (E _h в мВ )
аэробный	O ₂ + 4e ^- + 4H ⁺ → 2H ₂ O	600 ~ 400
анаэробный
денитрификация	2НО ₃^- + 10e ^- + 12H ⁺ → N ₂ + 6H ₂ O	500 ~ 200
восстановление марганца IV	MnO ₂ + 2e ^- + 4H ⁺ → Mn ²⁺ + 2H ₂ O	400 ~ 200
восстановление железа III	Fe (OH) ₃ + e ^- + 3H ⁺ → Fe ²⁺ + 3H ₂ O	300 ~ 100
сульфат снижение	SO ₄²⁻ + 8e ^- +10 H ⁺ → H ₂ S + 4H ₂ O	0 ~ -150
ферментация	2CH ₂ O → CO ₂ + CH ₄	-150 ~ -220

Методы на месте

Визуальное представление, показывающее биоремедиацию на месте . Этот процесс включает добавление кислорода, питательных веществ или микробов в загрязненную почву для удаления токсичных загрязнителей. Загрязнение включает захороненные отходы и утечки из подземных труб, которые проникают в системы грунтовых вод. Добавление кислорода удаляет загрязняющие вещества, выделяя углекислый газ и воду.

Биовентинг

Bioventing это процесс , который увеличивает кислород или воздух поток в зону аэрации почвы, в свою очередь , увеличивает скорость естественно я п-место деградации целевой углеводородной примеси. Биовентинг, аэробная биоремедиация, является наиболее распространенной формой процесса окислительной биоремедиации, когда кислород используется в качестве акцептора электронов для окисления нефти , полиароматических углеводородов (ПАУ), фенолов и других восстановленных загрязнителей. Кислород обычно является предпочтительным акцептором электронов из-за более высокого выхода энергии и потому, что кислород требуется некоторым ферментным системам для инициирования процесса разложения. Микроорганизмы могут разлагать широкий спектр углеводородов, включая компоненты бензина, керосина, дизельного топлива и авиационного топлива. В идеальных аэробных условиях скорость биоразложения алифатических , алициклических и ароматических соединений от низкого до среднего веса может быть очень высокой. По мере увеличения молекулярной массы соединения одновременно увеличивается и устойчивость к биоразложению. Это приводит к более высокому загрязнению летучих соединений из-за их высокой молекулярной массы и повышенной сложности удаления из окружающей среды.

Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные реакции, в которых либо акцептор электронов (обычно кислород) добавляется для стимуляции окисления восстановленного загрязнителя (например, углеводородов), либо добавляется донор электронов (обычно органический субстрат), чтобы уменьшить окисленные загрязнители (нитраты, перхлораты). , окисленные металлы, хлорированные растворители, взрывчатые вещества и пропелленты). В обоих этих подходах могут быть добавлены дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы pH для оптимизации условий для микроорганизмов. В некоторых случаях добавляются специализированные микробные культуры ( биоаугментация ) для дальнейшего усиления биодеградации.

Подходы к добавлению кислорода ниже уровня грунтовых вод включают рециркуляцию аэрированной воды через зону обработки, добавление чистого кислорода или пероксидов и барботирование воздуха . Системы рециркуляции обычно состоят из комбинации нагнетательных скважин или галерей и одной или нескольких добывающих скважин, где добытые подземные воды обрабатываются, насыщаются кислородом, дополняются питательными веществами и повторно закачиваются. Однако количество кислорода, которое может быть получено этим методом, ограничено низкой растворимостью кислорода в воде (от 8 до 10 мг / л для воды, находящейся в равновесии с воздухом при типичных температурах). Большее количество кислорода может быть получено путем контактирования воды с чистым кислородом или добавления в воду перекиси водорода (H ₂ O ₂ ). В некоторых случаях суспензии твердой перекиси кальция или магния вводятся под давлением через грунтовые скважины. Эти твердые пероксиды реагируют с водой, выделяя H ₂ O _2, которая затем разлагается с выделением кислорода. Барботирование воздуха включает нагнетание воздуха под давлением ниже уровня грунтовых вод. Давление нагнетания воздуха должно быть достаточно большим, чтобы преодолевать гидростатическое давление воды и сопротивление потоку воздуха через почву.

Биостимуляция

Биовосстановление может осуществляться бактериями, которые естественным образом присутствуют в окружающей среде или добавляются питательные вещества, этот процесс называется биостимуляцией.

Бактерии, также известные как микроби, естественным образом встречаются в окружающей среде и используются для разложения углеводородов. Многие биологические процессы чувствительны к pH и наиболее эффективно работают в условиях, близких к нейтральным. Низкий уровень pH может нарушить гомеостаз pH или повысить растворимость токсичных металлов. Микроорганизмы могут расходовать клеточную энергию для поддержания гомеостаза или условия цитоплазмы могут изменяться в ответ на внешние изменения pH. Анаэробы адаптировались к условиям с низким pH за счет изменений в потоке углерода и электронов, клеточной морфологии, структуре мембран и синтезе белка.

Биоремедиация с использованием микробов работает за счет использования микробного консорциума . В этом контексте микробный консорциум - это симбиотически связанная популяция микробов, которые выживают за счет использования вторичных метаболитов окружающих их видов. Отдельные виды микробов, как правило, неспособны полностью разрушить сложные молекулы, но могут частично разрушать соединение. Другая часть этой частично переваренной молекулы может быть расщеплена другим видом в консорциуме, и эта схема может повторяться до тех пор, пока загрязнитель окружающей среды не распадется на безвредные побочные продукты.

Пример биостимуляции в водоносном горизонте равнины реки Снейк в Айдахо. Этот процесс включает добавление порошка сыворотки, чтобы способствовать использованию естественных бактерий. Сухая сыворотка действует как субстрат, способствующий росту бактерий. На этом участке микроорганизмы расщепляют канцерогенное соединение трихлорэтилен (ТХЭ), что и наблюдалось в предыдущих исследованиях.

В случае биостимуляции, добавление питательных веществ, которые ограничены, чтобы сделать среду более подходящей для биоремедиации, в систему могут быть добавлены питательные вещества, такие как азот, фосфор, кислород и углерод, для повышения эффективности лечения. Питательные вещества необходимы для биоразложения нефтяных загрязнений и могут использоваться для уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. В частности, для разливов нефти в море азот и фосфор являются ключевыми питательными веществами при биоразложении.

Многие биологические процессы чувствительны к pH и наиболее эффективно работают в условиях, близких к нейтральным. Низкий уровень pH может нарушить гомеостаз pH или повысить растворимость токсичных металлов. Микроорганизмы могут расходовать клеточную энергию для поддержания гомеостаза или условия цитоплазмы могут изменяться в ответ на внешние изменения pH. Некоторые анаэробы адаптировались к условиям с низким pH за счет изменения потока углерода и электронов, клеточной морфологии, структуры мембраны и синтеза белка.

Анаэробная биоремедиация может использоваться для обработки широкого спектра окисленных загрязнителей, включая хлорированные этилены ( PCE , TCE , DCE , VC) , хлорированные этаны ( TCA , DCA ), хлорметаны ( CT , CF ), хлорированные циклические углеводороды, различные энергетические вещества (например, перхлорат , гексоген , тротил ) и нитрат . Этот процесс включает добавление донора электронов к: 1) истощению фоновых акцепторов электронов, включая кислород, нитрат, окисленное железо, марганец и сульфат; и 2) стимулировать биологическое и / или химическое восстановление окисленных загрязнителей. Шестивалентный хром (Cr [VI]) и уран (U [VI]) могут быть восстановлены до менее подвижных и / или менее токсичных форм (например, Cr [III], U [IV]). Точно так же восстановление сульфата до сульфида (сульфидогенез) можно использовать для осаждения определенных металлов (например, цинка , кадмия ). Выбор субстрата и метода закачки зависит от типа и распределения загрязнителя в водоносном горизонте, гидрогеологии и целей восстановления. Субстрат может быть добавлен с использованием обычных скважинных установок, технологии прямого проталкивания или путем выемки грунта и обратной засыпки, например, проницаемых реактивных барьеров (PRB) или биостен. Продукты с медленным высвобождением, состоящие из пищевых масел или твердых субстратов, как правило, остаются на месте в течение длительного периода обработки. Растворимые субстраты или растворимые продукты ферментации субстратов с медленным высвобождением могут потенциально мигрировать посредством адвекции и диффузии, обеспечивая более широкие, но более короткоживущие зоны обработки. Добавленные органические субстраты сначала ферментируются до водорода (H ₂ ) и летучих жирных кислот (ЛЖК). ЛЖК, включая ацетат, лактат, пропионат и бутират, обеспечивают углерод и энергию для метаболизма бактерий.

Биоаттенуация

Во время биоаттенуации биоразложение происходит естественным образом с добавлением питательных веществ или бактерий. Присутствующие местные микробы будут определять метаболическую активность и действовать как естественное ослабление. Хотя в биоаттенуации нет антропогенного участия, за загрязненным участком все же необходимо вести мониторинг.

Биоразмерация

Биоразборка - это процесс восстановления грунтовых вод, когда в них вводятся кислород и возможные питательные вещества. Когда вводится кислород, местные бактерии стимулируются для увеличения скорости разложения. Тем не менее, биоразбрасывание сосредоточено на насыщенных загрязненных зонах, особенно связанных с очисткой грунтовых вод.

Техники Ex situ

Биопилы

Биопакеты, аналогично биовентиляции, используются для уменьшения количества загрязняющих веществ в нефти путем введения аэробных углеводородов в загрязненные почвы. Однако почва выкапывается и засыпается системой аэрации. Эта система аэрации усиливает микробную активность, вводя кислород под положительным давлением или удаляя кислород под отрицательным давлением.

Валки

Бывший нефтеперерабатывающий завод Shell Haven в Стэндфорд-ле-Хоуп, на котором была проведена биоремедиация, чтобы уменьшить количество загрязненных нефтью участков. Методы биоремедиации, такие как валки, использовались для ускорения переноса кислорода. На нефтеперерабатывающем заводе было извлечено около 115 000 м ³ загрязненной почвы.

Системы валков похожи на методы компоста, когда почву периодически переворачивают для улучшения аэрации. Это периодическое переворачивание также позволяет равномерно распределить загрязнения, присутствующие в почве, что ускоряет процесс биоремедиации.

Земледелие

Обработка земель или обработка земель - это метод, обычно используемый для разливов ила. Этот метод распыляет загрязненную почву и аэрирует ее за счет циклического вращения. Этот процесс представляет собой вышеуказанную обработку земли, и загрязненные почвы должны быть неглубокими, чтобы стимулировать микробную активность. Однако, если загрязнение глубже 5 футов, почву необходимо выкопать на поверхность.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы попадают в окружающую среду в результате антропогенной деятельности или природных факторов. Антропогенная деятельность включает промышленные выбросы, электронные отходы и добычу руды. К природным факторам относятся выветривание минералов, эрозия почвы и лесные пожары. Тяжелые металлы, включая кадмий, хром, свинец и уран, не похожи на органические соединения и не могут подвергаться биологическому разложению. Тем не менее, процессы биоремедиации могут потенциально использоваться для уменьшения подвижности этих материалов в недрах, снижая вероятность воздействия на человека и окружающую среду. Тяжелые металлы из этих факторов преимущественно присутствуют в водных источниках из-за стока, где они поглощаются морской фауной и флорой.

Подвижность некоторых металлов, включая хром (Cr) и уран (U), варьируется в зависимости от степени окисления материала. Микроорганизмы можно использовать для снижения токсичности и подвижности хрома за счет восстановления шестивалентного хрома Cr (VI) до трехвалентного Cr (III). Уран может быть восстановлен от более подвижной степени окисления U (VI) до менее подвижной степени окисления U (IV). В этом процессе используются микроорганизмы, потому что скорость восстановления этих металлов часто является медленной, если не катализируется микробными взаимодействиями. Также ведутся исследования по разработке методов удаления металлов из воды путем усиления сорбции металла на клеточных стенках. Этот подход был оценен для обработки кадмия, хрома и свинца. Процессы фитоэкстракции концентрируют загрязняющие вещества в биомассе для последующего удаления.

Пестициды

Для различных гербицидов и других пестицидов как aerobic- и анаэробные - гетеротрофы доказали свою эффективность, в том числе Flavobacterium SPP. и Arthrobacter spp. Аэробы являются основным выбором для органофосфатов и нехлорированных веществ. Хлорированные структуры (чаще всего ДДТ , ДДЭ (дихлордифенилдихлорэтилен) , гептахлор , дильдрин и хлордан ) трудно поддаются детоксикации, но триазины и органофосфаты (включая малатион и паратион ) относительно легче найти восстановитель. Это особенно полезно для атразина (триазина), который ранее был очень стойким.

Ограничения биоремедиации

Биоремедиация может использоваться для полной минерализации органических загрязнителей, частичного преобразования загрязнителей или изменения их подвижности. Тяжелые металлы и радионуклиды - это элементы, которые не могут быть подвергнуты биологическому разложению, но могут быть биотрансформированы в менее подвижные формы. В некоторых случаях микробы не полностью минерализуют загрязнитель, потенциально производя более токсичное соединение. Например, в анаэробных условиях восстановительного дегалогенирования из TCE может привести к дихлорэтилена (DCE) и винилхлорида (VC), которые предполагаемых или известных канцерогенов . Однако микроорганизм Dehalococcoides может дополнительно восстанавливать DCE и VC до нетоксичного продукта этена. Требуются дополнительные исследования для разработки методов, гарантирующих, что продукты биоразложения будут менее стойкими и менее токсичными, чем исходный загрязнитель. Таким образом, необходимо знать метаболические и химические пути интересующих микроорганизмов. Кроме того, знание этих путей поможет разработать новые технологии, которые могут иметь дело с участками с неравномерным распределением смеси загрязняющих веществ.

Кроме того, для того, чтобы происходило биоразложение, должна существовать микробная популяция с метаболической способностью разлагать загрязнитель, среда с правильными условиями роста для микробов и правильным количеством питательных веществ и загрязнителей. Биологические процессы, используемые этими микробами, очень специфичны, поэтому необходимо учитывать и регулировать многие факторы окружающей среды. Таким образом, процессы биоремедиации должны проводиться специально в соответствии с условиями на загрязненном участке. Многие факторы взаимозависимы, например, мелкомасштабные тесты, которые обычно проводят перед проведением процедуры на зараженном участке. Однако может быть трудно экстраполировать результаты небольших тестовых исследований на большие полевые операции. Во многих случаях биоремедиация требует больше времени, чем другие альтернативы, такие как насыпь земли и сжигание . Другой пример - биовентиляция, которая недорога для биологической очистки загрязненных участков, однако этот процесс обширен и может занять несколько лет для дезактивации участка.

В сельскохозяйственной промышленности использование пестицидов является главным фактором прямого загрязнения почвы и загрязнения сточных вод. Ограничением или восстановлением пестицидов является низкая биодоступность. Изменение pH и температуры загрязненной почвы - это решение для увеличения биодоступности, что, в свою очередь, увеличивает разложение вредных соединений.

Составной акрилонитрил обычно производится в промышленных условиях, но вредно загрязняет почвы. Микроорганизмы, содержащие нитрилгидратазы (NHase), разлагают вредные соединения акрилонитрила до экологически чистых веществ.

Поскольку опыт работы с вредными загрязнителями ограничен, необходимы лабораторные практики для оценки эффективности, схем лечения и оценки времени лечения. Процессы биоремедиации могут занять от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от размера загрязненной территории.

Генная инженерия

Использование генной инженерии для создания организмов, специально предназначенных для биоремедиации, находится в стадии предварительных исследований. В организм могут быть вставлены две категории генов: гены деградации, которые кодируют белки, необходимые для разложения загрязняющих веществ, и гены-репортеры, которые могут контролировать уровни загрязнения. Многие представители Pseudomonas также были модифицированы геном lux, но для обнаружения полиароматических углеводородов нафталина. Полевые испытания на выпуск модифицированного организма были успешными в умеренно больших масштабах.

Существуют опасения по поводу выпуска и содержания генетически модифицированных организмов в окружающей среде из-за возможности горизонтального переноса генов. Генетически модифицированные организмы классифицируются и контролируются в соответствии с токсичными веществами Закона о контроле 1976 года в соответствии с Агентством США по охране окружающей среды . Были приняты меры для решения этих проблем. Организмы можно модифицировать таким образом, чтобы они могли выживать и расти только в определенных условиях окружающей среды. Кроме того, отслеживание измененных организмов можно упростить с помощью вставки генов биолюминесценции для визуальной идентификации.

Генетически модифицированные организмы были созданы для обработки разливов нефти и разрушения некоторых пластмасс (ПЭТ).

Languages

In other projects