Bioremediacja

Wstęp

1. Bioremediacja to technologia usuwania zanieczyszczeń gruntu, wykorzystująca żywe mikroorganizmy celu katalizowania destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe.
Zasadnicze procesy wchodzące w skład technologii bioremediacji to:
· monitoring naturalnego procesu biodegradacji (bioremediacja podstawowa);
· przeprowadzenie modyfikacji środowiskowej np.: dostarczenie pożywek dla mikroorganizmów lub napowietrzanie terenu poddawanego bioremediacji (biostymulacja);
· wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów (bioaugmentacja).
Końcowe produkty efektywnie przeprowadzonego procesu bioremediacji - dwutlenek węgla oraz woda są nietoksyczne i mogą być przyswajane bez szkody dla środowiska naturalnego.
Podczas gdy konwencjonalne technologie oczyszczania gruntu wymagają transportu dużych ilości gruntu skażonego substancjami toksycznymi, bioremediacja posiada tę szczególną zaletę, że może być zastosowana na miejscu skażenia (in situ) i nie wymaga zastosowania żadnych skomplikowanych urządzeń.
Mimo to bioremediacja nie jest metodą uniwersalną i nie może być zastosowana do każdego rodzaju zanieczyszczeń. Jak każda metoda, bioremediacja posiada pewne ograniczenia takie jak: rodzaj skażeń w stosunku do których można tę metodę zastosować, warunki panujące w miejscu, które należy poddać oczyszczeniu oraz czas w którym zanieczyszczenie powinno zostać usunięte.
Jednakże, gdy zastosowanie bioremediacji jest możliwe to okazuje się ona efektywną metodą odnawiania środowiska naturalnego. Zalety ekonomiczne bioremediacji w porównaniu z innymi metodami chemicznymi czy fizycznymi są głównym powodem szerokiego zastosowania tej metody.

2. Projektowanie procesu bioremediacji
Bioremediacja nie jest technologią, którą można zastosować w dowolnym miejscu i w dowolnych okolicznościach.
Uniwersalne pozostają jedynie główne założenia tej technologii, natomiast szczegóły rozwiązań technologicznych są całkowicie determinowane przez warunki atmosferyczne, hydrologiczne, geologiczne, charakterystyczne dla obszaru, który ma być poddany procesowi bioremediacji.
Szczególnie ważne jest również przeprowadzenie wstępnych testów laboratoryjnych, których wyniki będą podstawą do podejmowania dalszych decyzji co do szczegółowych rozwiązań bioremediacji.
Badania te powinny określić rodzaj i strukturę substancji chemicznych, stanowiących skażenie. Są to parametry jednoznacznie określające ich podatność lub oporność na proces biodegradacji. Jest to zagadnienie zasadnicze dla dalszego projektowania procesu bioremediacji.
Testy laboratoryjne powinny również umożliwiać zdefiniowanie zależności tempa procesu bioremediacji od takich parametrów jak: pH, stężenie tlenu, stężenie substancji odżywczych, temperatura, potencjał red-ox, porowatość gruntu.
Dzięki znajomości tych parametrów możliwe jest podejmowanie decyzji co do strategicznych parametrów procesu bioremediacji takich jak: rodzaj zastosowanych mikroorganizmów, rodzaj zastosowanych pożywek, napowietrzanie.
Dopiero po przeprowadzeniu takich wstępnych analiz możliwe jest zaprojektowanie efektywnego procesu bioremediacji, którego zastosowanie umożliwi obniżenie koncentracji zanieczyszczeń obecnych w gruncie do bezpiecznego poziomu.

3. Rodzaje procesów bioremediacji
3.1 Bioremediacja podstawowa
Bioremediacja podstawowa to proces podczas którego jedynie naturalna mikroflora skażonego gruntu jest wykorzystywana do obniżania koncentracji polutanta w gruncie do bezpiecznego poziomu w określonych i akceptowalnych ramach czasowych.
Jeżeli tylko okoliczności są sprzyjające to metoda ta znajduje zastosowanie, gdyż nie wymaga ona żadnej dodatkowej interwencji, poza monitoringiem naturalnego procesu biodegradacji skażenia.
3.2 Biostymulacja
Kiedy tempo naturalnego procesu bioremediacji jest niewystarczające, zazwyczaj stosuje się stymulację rodzimej mikroflory w celu przyspieszenia procesu bioremediacji gleby z zanieczyszczeń. Kilka powszechnie znanych czynników ograniczających naturalny proces biodegradacji to: skrajnie wysokie stężenie substancji stanowiącej skażenie, niedobór tlenu, niekorzystne pH, niedobór substancji mineralnych ( zawierających azot i fosfor ), zbyt niska wilgotność oraz niekorzystna temperatura.
W celu zwiększenia tempa procesu naturalnej biodegradacji można zastosować różne metody modyfikacji warunków środowiskowych, przede wszystkim: natlenianie i dodawanie pożywek.
3.2.1 Natlenianie
Dostępność tlenu cząsteczkowego w sposób istotny wpływa na biodegradację różnych związków chemicznych. Ograniczony dostęp tlenu to jeden z najbardziej kłopotliwych czynników na który napotyka się podczas bioremediacji in situ, w przypadku zanieczyszczenia węglowodorami lub innymi polutantami, które biodegradowane są według mechanizmu tlenowego.
Najczęściej spotykane procesy natleniania rekultywowanego terenu to:
· wentylacja, pozwala na zwiększanie koncentracji tlenu w zanieczyszczonym gruncie poprzez iniekcję - wtłaczanie powietrza pod zwiększonym ciśnieniem przez układ przewodów - drenów umieszczonych w skażonym gruncie
· stosowanie rozcieńczonych roztworów wody utlenionej, której rozkład w gruncie powoduje uwolnienie tlenu i umożliwia aerobowy metabolizm mikroorganizmów.
· spulchnianie gruntu przez mechaniczną uprawę.
3.2.2 Wzbogacanie pożywkami
Jak wiadomo tempo procesu biodegradacji może być limitowane przez ograniczone stężenie substancji odżywczych. Głównymi czynnikami z tej grupy są związki azotu i fosforu, gdyż dostępność tych pierwiastków jest parametrem krytycznym dla procesu bioremediacji. Dlatego też w warunkach, w których deficyt azotu i fosforu limituje efektywność procesu bioremediacji sztuczne wzbogacanie rekultywowanego terenu, najczęściej poprzez zastosowanie nawozów zawierających azot i fosfor, daje bardzo dobre efekty w postaci znacznego przyspieszenia bioremediacji.
Nawóz-pożywka stosowany w technice bioremediacji in situ musi spełniać pewne kryteria, które czynią go użytecznym w tym procesie, kryteriami tym są: efektywne uwalnianie azotu i fosforu w krótkim czasie, łatwa dostępność nawozu w dużych ilościach, niska cena. Nawóz taki nie powinien wymagać skomplikowanego transportu oraz skomplikowanych technik aplikacyjnych do gruntu.
Spośród stosowanych nawozów można wydzielić trzy grupy preparatów, różniących się własnościami fizycznymi, budową chemiczną oraz zawartością pierwiastków biogennych (azot i fosfor).
Grupa pierwsza to ciekłe nawozy hydrofobowe. Są to preparaty posiadające zdolność przylegania do substancji stałych (piasek, gleba, kamienie), wytwarzając jednolitą powłokę, z której powoli uwalniane są azot i fosfor do gleby lub wody. Nawóz w tej formie znajduje zastosowanie przede wszystkim na wybrzeżach akwenów wodnych (morza, jeziora), bowiem łatwo rozpuszczalny preparat odżywczy mógłby być łatwo wypłukany przez fale zbiornika wodnego.
Druga grupa to nawozy w fazie stałej. Są to najczęściej nawozy w postaci granulek, powoli uwalniających azot i fosfor w wyniku powolnego rozpuszczania lub rozpadu w przypadku kontaktu z wodą.
Grupa trzecia to wodne roztwory nawozów. Ten rodzaj nawozu zawiera rozpuszczalne formy azotu i fosforu. Stosowanie takich preparatów polega przede wszystkim na ich rozpylaniu na powierzchni skażonego terenu. Zaletą jest łatwość penetrowania do głębszych warstw gruntu, co jest pożądane, jeżeli tam właśnie substancje skażające znajdują się w największej koncentracji.
3.3 Bioaugmentacja - zwiększenie populacji mikroorganizmów
Wzbogacenie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane, o dużej zdolności do biodegradacji zanieczyszczeń, bakterie (bioaugmentację) stosuje się w przypadku gdy rodzima populacja bakterii, na skażonym terenie, nie wykazuje pożądanej aktywności w kierunku biodegradacji zanieczyszczeń. Celem tego zabiegu jest zwiększenie tempa lub/i rozmiaru biodegradacji polutanta. Proces ten stosuje się jednak dopiero wtedy gdy zawodzą prostsze technologie bioremediacji tzn. bioremediacja podstawowa oraz biostymulacja. Ma to miejsce zazwyczaj w przypadku skażenia związkami chemicznymi o bardzo dużej oporności na proces biodegradacji.
Technologię tę realizuje się poprzez bezpośrednią iniekcję zawiesiny mikroorganizmów, o pożądanej aktywności katalitycznej, wraz z substancjami odżywczymi (jeżeli to konieczne) do skażonego gruntu.
3.4 Elektrobioremediacja
Elektrobioremediacja to ogólna nazwa dużej grupy metod oczyszczania gruntu wykorzystujących zjawiska zarówno mikrobiologiczne jak i chemiczne w celu degradacji różnego rodzaju zanieczyszczeń, a także zjawiska elektrokinetyczne w celu przyspieszenia i właściwego zorientowania transportu zanieczyszczeń lub ich pochodnych w gruncie.
Bezpośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na roztwór elektrolitu znacznie przyspiesza jego przepływ przez porowatą fazę stałą i pozwala kontrolować kierunek tego przepływu. Dlatego też można śmiało stwierdzić, że zastosowanie pola elektrycznego, w połączeniu z odpowiednimi substancjami dodatkowymi (pożywki, akceptory elektronów), powoduje wytworzenie korzystnych warunków dla biodegradacji zanieczyszczeń podatnych na ten proces.

4. Praktyczne zastosowania bioremediacji
4.1 Grunt i wody gruntowe zanieczyszczone węglowodorami
Węglowodory, zanieczyszczające grunt i wody gruntowe, są najczęściej spotykanym polutantem w stosunku do którego stosuje się techniki bioremediacji. Grunty i wody gruntowe, zanieczyszczone produktami pochodzenia petrochemicznego, stanowią około 60% terenów, gdzie bioremediacja znajduje swoje zastosowanie.
W większości przypadków zanieczyszczenia gruntu węglowodorami za najskuteczniejszą i ekonomicznie najkorzystniejszą metodę uważa się biostymulację.
Typowa procedura bioremediacji obszaru zanieczyszczonego węglowodorami zaczyna się od mikrobiologicznej i chemicznej analizy skażonego miejsca. Dodatkowo korzystne jest wykonanie analizy zawartości tlenu w glebie i przepuszczalności gleby dla powietrza (tlenu). Na podstawie analizy tych parametrów dokonuje się doboru najkorzystniejszej ekonomicznie i najefektywniejszej strategii bioremediacji w celu oczyszczenia skażonego terenu.
W przypadku skażenia wód gruntowych, poza doborem odpowiedniej metody bioremediacji, w celu neutralizacji zanieczyszczenia, stosuje się również techniki zapobiegające rozprzestrzenianiu się skażonej wody gruntowej. W tym celu izoluje się studnie, ujęcia wody oraz inne wrażliwe miejsca od skażonego terenu poprzez zastosowanie barier fizycznych takich jak: cement czy bentonit lub też stosuje się w tym celu metody dynamiczne jak np.: wypompowywanie skażonej wody gruntowej.
4.2 Grunt i wody gruntowe zanieczyszczone chlorowcowęglowodorami
Bioremediacja terenów zanieczyszczonych chlorowcopochodnymi węglowodorów aromatycznych, metanu oraz etanu przedstawia dodatkowy, złożony problem.
Podczas gdy niektóre z tych substancji ulegają anaerobowej dehalogenacji, inne nie mogą służyć jako źródło węgla ani w warunkach aerobowych ani w anaerobowych. Związki te są atakowane przez mikroorganizmy w wyniku kometabolizmu w obecności metanu lub toluenu tylko w warunkach tlenowych. Jest to możliwe gdyż mikroorganizmy metanotrofowe wytwarzają monooksygenazę, której obecność umożliwia degradację trichloroetanu (TCE) dichloroetanu (DCE) oraz chlorku winylu.
4.3 Skażenie akwenów wodnych produktami pochodzenia petrochemicznego (np.: katastrofy tankowców)
Skażenia akwenów wodnych mają bardzo silny wpływ na ekosystemy przybrzeżne. Wiele technologii zostało opracowanych, w tym także bioremediacja, w celu złagodzenia skutków takich wypadków.
W przypadkach zanieczyszczenia terenów przybrzeżnych na skutek wycieku ropy naftowej lub produktów petrochemicznych zastosowanie bioremediacji wydaje się najbardziej uzasadnione ze względu na skalę zjawiska. W takiej sytuacji zastosowanie jakichkolwiek technik fizyczno-chemicznych napotyka na nieprzekraczalne bariery zarówno z punktu widzenia czasochłonności tych procesów jak i, a może przede wszystkim, ze względu na ich negatywne skutki finansowe.
W takich sytuacjach najczęściej stosowaną techniką bioremediacji jest biostymulacja (np.: oczyszczanie wybrzeży Alaski po katastrofie tankowca Exxon Valdez).
W niektórych przypadkach wystarczy polegać na aktywności rodzimych mikroorganizmów bez wspomagania ich z zewnątrz, ograniczając się jedynie do monitorowania przebiegających procesów (np.: wyciek z tankowca Amoco Cadiz u wybrzeży północnej Francji).

5. Podsumowanie
Technologia bioremediacji jest metodą polecaną do szerokiego stosowania w walce z coraz powszechniejszym problemem skażeń wód i gruntów związkami ropopochodnymi. Sprawdza się ona w różnych warunkach pogodowych i w zróżnicowanych formacjach geologicznych.
Coraz większą popularność technologia bioremediacji zawdzięcza posiadanym zaletom:
· jest ekonomiczna (tańsza niż stosowane dotychczas metody oczyszczania wód i gruntów)
· proces likwidacji skażenia może być prowadzony in situ (w miejscu skażenia, bez konieczności przemieszczania gruntu)
· grunt nadaje się do użytku bezpośrednio po przeprowadzeniu procesu oczyszczania
· w procesie likwidacji skażenia nie są wytwarzane szkodliwe związki wydzielane do gruntu, wód i atmosfery (bakterie rozkładają składniki zanieczyszczeń do obojętnych dla środowiska dwutlenku węgla i wody
· technologia ta nie wymaga stosowania kosztownej i skomplikowanej aparatury.
Wymienione zalety technologii bioremediacji sprawiają, że jest to technologia bezkonkurencyjna w porównaniu z tradycyjnymi metodami oczyszczania gruntu, szczególnie w przypadku gdy mamy do czynienia z dużymi obszarami skażonego gruntu, gdzie zastosowanie technik związanych z przemieszczaniem gruntu jest niemożliwe ze względu na skalę zjawiska.
Jako przykład potencjalnego zastosowania technologii bioremediacji można wymienić obszary skażone substancjami ropopochodnymi, na których przez szereg lat stacjonowały oddziały Armii Czerwonej, doprowadzając swoją działalnością do dewastacji środowiska naturalnego.