Биоремедиация - Bioremediation


Из Википедии, свободной энциклопедии

Биоремедиация это процесс , используемый для лечения загрязненных сред, в том числе воды, почвы и подземных материала, путем изменения условий окружающей среды , чтобы стимулировать рост микроорганизмов и ухудшить целевые загрязняющие вещества. Во многих случаях биоремедиация является менее дорогостоящей и более устойчивой , чем в других восстановительных альтернативах. Биологическая обработка является такой же подход используется для лечения отходов в том числе сточных вод, промышленных отходов и твердых отходов.

Большинство процессы биоремедиации включают окислительно-восстановительные реакции , где либо акцептор электронов (обычно кислород) добавляются , чтобы стимулировать окисление восстановленного загрязняющего вещества (например , углеводороды) или донор электронов (обычно органический субстрат) добавляют для уменьшения окисленных загрязняющих веществ (нитрат, перхлорат , окисленные металлы, хлорированные растворители, взрывчатые вещества и ракетное топливо). В обоих этих подходов, дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы рН могут быть добавлены с целью оптимизации условий для микроорганизмов. В некоторых случаях специализированные микробные культуры добавляются ( Биоаугментация ) для дальнейшего повышения биодеградации. Некоторые примеры , связанные с биоремедиацией технологии являются фиторемедиация , mycoremediation , bioventing , биовыщелачивание , запахивание в почве , биореактор , компостирование , Биоаугментацию , rhizofiltration и биостимуляции .

Химия

Большинство процессы биоремедиации включают окислительно-восстановительный ( Редокс ) реакцию , где химическое вещество отдает электрон ( донор электронов ) в различные виды , которые принимают электрон ( акцептор электронов ). В ходе этого процесса, донор электронов , как говорят, окисляется в то время как акцептор электронов уменьшается. Обычные акцепторы электронов в процессах биоремедиации включают кислород , нитрат , марганец (III и IV), железу (III), сульфат , углекислый газ и некоторые загрязняющие вещества (хлорированные растворители, взрывчатые вещества, окисленные металлы и радионуклиды). Доноры электронов включают сахара, жиры, спирты, природный органический материал, топливные углеводороды и различный восстановленные органических загрязнителей. Окислительно - восстановительный потенциал для общих реакций биотрансформации показано в таблице.

Процесс реакция Окислительно - восстановительный потенциал (Е ч в мВ
аэробный O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O 600 ~ 400
анаэробный
денитрификация 2NO 3 - + 10e - + 12H + → N 2 + 6H 2 O 500 ~ 200
марганец снижение И.В. MnO 2 + 2е - + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O     400 ~ 200
железа сокращение III , Fe (OH) 3 + е - + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O 300 ~ 100
сульфат снижение SO 4 2- + 8e - +10 H + → H 2 S + 4H 2 O 0 ~ -150
ферментация 2CH 2 O → CO 2 + СН 4 -150 ~ -220

аэробный

Аэробные биоремедиация является наиболее распространенной формой окислительного процесса биоремедиации , где кислород обеспечивается в качестве акцептора электронов для окисления нефти , полиароматических углеводородов (ПАУ), фенолов и других восстановленных загрязняющих веществ. Кислород , как правило , предпочтительный акцептор электронов из-за более высоким выходом энергии , и потому что кислород необходим для некоторых ферментных систем , чтобы инициировать процесс деградации. Многочисленные лабораторные и полевые исследования показали , что микроорганизмы могут разлагать широкий спектр углеводородов, в том числе компонентов бензина, керосина, дизельного топлива и топлива для реактивных двигателей. В идеальных условиях, скорость биодеградации с низким до умеренного веса алифатических , алициклических и ароматических соединений , может быть очень высокой. В качестве молекулярной массы соединения возрастает, так что делает устойчивость к биодеградации.

Общие подходы для обеспечения кислорода выше уровня грунтовых вод включают запахивание в почву , компостирование и bioventing . Во время запахивания в почве, загрязненные почвы, отложение, или шламы включены в поверхность почвы и периодически перевернулись (пропашной) с использованием обычного сельскохозяйственного оборудования для аэрации смеси. Компостирование ускоряет биодеградации загрязняющих веществ путем смешивания отходов, подлежащей обработке с наполнител, образуя в кучи и периодически смешивают , чтобы увеличить перенос кислорода. Bioventing это процесс , который увеличивает кислород или воздух поток в зону аэрации почвы , что увеличивает скорость естественной деградации на месте - мишени углеводородной примеси в.

Подходы к добавлению кислорода ниже уровень грунтовых вод включают в себя рециркуляционную аэрированную воду через зону обработки, добавление чистого кислорода или перекиси и воздух барботирование . Рециркуляционные системы обычно состоят из комбинации нагнетательных скважин или галерей и одного или нескольких восстановительных скважин , где лечение извлеченный грунтовых вод, насыщенных кислородом, исправленных с питательными веществами и искажений , . Однако количество кислорода , которое может быть обеспечено с помощью этого метода ограничена низкой растворимости кислорода в воде ( от 8 до 10 мг / л для воды в равновесии с воздухом при обычных температурах). Большие количества кислорода может быть обеспечены путем контактирования воды с чистым кислородом или добавлением перекиси водорода (H 2 O 2 ) в воду. В некоторых случаях, суспензии твердого кальция или магний перекиси впрыскивают под давлением через почву раздражения. Эти твердые пероксиды реагируют с водой , высвобождая H 2 O 2 , который затем разлагается выделяя кислород. Воздух барботирования включает инъекции воздуха под давлением ниже уровня грунтовых вод. Давление нагнетания воздуха должно быть достаточно , чтобы преодолеть гидростатическое давление воды и сопротивление потоку воздуха через почву велика.

анаэробный

Анаэробные биоремедиации могут быть использованы для лечения широкого спектра окисленных загрязняющих веществ , в том числе хлорированных ethenes ( PCE , ТХЭ , DCE , VC) , хлорированные этаны ( TCA , DCA ), хлорметаны ( CT , CF ), хлорированные циклических углеводородов, различные энергетиков (например, перхлорат , RDX , TNT ), и нитратов . Этот процесс включает в себя добавление электронного донора к: 1) истощают фон акцепторов электронов , включая кислород, нитрат, окисленное железо и марганец и сульфат; и 2) стимулируют биологическое и / или химическое восстановление окисленных загрязняющих веществ. Шестивалентный хром (Cr [VI]) и уран (U [VI]) могут быть уменьшены до менее подвижных и / или менее токсичных форм (например, Cr [III], U [IV]). Аналогичным образом , снижение сульфата до сульфида (sulfidogenesis) может быть использовано для осаждения некоторых металлов (например, цинк , кадмий ). Выбор подложки и способ введений зависят от типа загрязнений и распределения в водоносных целях, гидрогеологии, и мер по восстановлению. Субстрат может быть добавлен с использованием обычных установок также путем прямых нажимной технологией, или путем выемки и засыпки , таких как проницаемые реактивные барьеры (PRB) или biowalls. Замедленное высвобождение продукты , состоящая из пищевых масел или твердых субстратов , как правило , чтобы оставаться на месте в течение длительного периода лечения. Растворимые субстраты или растворимые продукты ферментации субстратов с медленным высвобождением потенциально могут мигрировать через адвекцию и диффузию, обеспечивая более широкую , но короткоживущую зону обработки. Добавленные органические субстраты сначала ферментируют в водород (H 2 ) и летучих жирных кислот (ЛЖК). ЛЖК, включая ацетат, лактат, пропионат и бутират, обеспечивает углерод и энергию для бактериального метаболизма.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы, включая кадмий, хром, свинец и уран являются элементами, поэтому они не могут быть биодеградации. Тем не менее, процессы биоремедиации потенциально могут быть использованы для уменьшения подвижности этих материалов в геологической среде, уменьшая потенциал для воздействия на организм человека и окружающей среды. Подвижность некоторых металлов, включая хром (Cr) и уран (U) изменяется в зависимости от степени окисления материала. Микроорганизмы могут быть использованы для снижения токсичности и мобильности хрома пути уменьшения шестивалентного хрома, хром (VI) до трехвалентного Cr (III). Уран может быть уменьшен с более мобильным U (VI) степени окисления до менее подвижной U (IV) степень окисления. Микроорганизмы, используемые в этом процессе, потому что скорость восстановления этих металлов часто медленно, если не катализируется микробных взаимодействий Исследования также ведется разработка методов для удаления металлов из воды за счет повышения сорбции металла к клеточной стенки. Этот подход был оценен для лечения кадмия, хрома и свинца.

добавки

В случае биостимуляции, добавляя питательные вещества, которые ограничены, чтобы сделать среду более подходящей для биологической очистки, питательные вещества, таких как азот, фосфор, кислород и углерод могут быть добавлены в систему, чтобы улучшить эффективность лечения.

Многие биологические процессы чувствительны к рН и функционирует наиболее эффективно в почти нейтральных условиях. Низкий рН может помешать рН гомеостаза или повышать растворимость токсичных металлов. Микроорганизмы могут затрачивать клеточной энергии для поддержания гомеостаза или цитоплазматические условия могут изменяться в ответ на внешние изменения рН. Некоторые анаэробы адаптировались к низким рН условиях через изменения в углерода и электронного потока, клеточной морфологии, структуры мембраны и синтез белка.

Ограничения

Биоремедиация может быть использована , чтобы полностью минерализует органические загрязнители, чтобы частично преобразовывать загрязняющие вещества, или изменять их подвижность. Тяжелые металлы и радионуклиды являются элементами , которые не могут быть биодеградации, но может быть био-преобразовано в менее подвижных форм. В некоторых случаях микробы не полностью минерализуют загрязнитель, потенциально производя более токсичные соединения. 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 еще больше снизить DCE и VC к нетоксичным этена продукта. Дополнительное исследование необходимо разработать методы , чтобы гарантировать , что продукты из биодеградации являются менее стойкими и менее токсичными , чем исходный загрязнитель. Таким образом, пути обмена веществ и химических микроорганизмов , представляющих интерес , должны быть известны. Кроме того, зная , что эти пути будут способствовать развитию новых технологий , которые могут иметь дело с сайтами , которые имеют неравномерные распределения смеси загрязняющих веществ.

Кроме того , для биодеградации произойти, должна быть микробным населением с метаболической способностью разрушать загрязнитель, окружающую среду , с правом выращивания условия для микробов, и нужного количество питательных веществ и загрязняющих веществ. Биологические процессы , используемые этими микроорганизмами являются высоко специфичными, поэтому многие экологические факторы должны быть приняты во внимание и регулируется , а также. Таким образом, биоремедиация процессы должны быть специально изготовлены в соответствии с условиями на загрязненном участке. Кроме того , поскольку многие факторы являются взаимозависимыми, мелкомасштабные испытания обычно проводятся перед проведением процедуры на загрязненном участке. Тем не менее, это может быть трудно экстраполировать результаты мелкомасштабных испытаний исследований в большие операции на местах. Во многих случаях, биоремедиация занимает больше времени , чем другие альтернативы , такие как заполнение земель и сжигание .

Генная инженерия

Использование генной инженерии для создания организмов , специально предназначенных для биоремедиации под предварительными исследованиями. Две категорий генов могут быть вставлены в организме: деградационных гены , которые кодируют белки , необходимые для деградации загрязняющих веществ, и репортерных гены, которые способны контролировать уровни загрязнения. Многочисленные члены Pseudomonas также были изменены с геномом лка, но для обнаружения полиароматического углеводорода нафталина. Полевое испытание для высвобождения модифицированного организма был успешным на умеренно больших масштабах.

Есть опасения , окружающие выпуск и сдерживание генетически модифицированных организмов в окружающую среду из - за возможного 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 . Меры , которые были созданы для решения этих проблем. Микроорганизмы могут быть модифицированы таким образом, что они могут только выжить и развиваться в рамках конкретных наборов условий окружающей среды. Кроме того, отслеживание измененных организмов можно облегчить с включением биолюминесценции генов для визуальной идентификации.

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка