Bioremediering - Bioremediation
| Del av en serie om |
| Förorening |
|---|
 |
Bioremediering är en process som används för att behandla förorenade medier, inklusive vatten, jord och underjordiskt material, genom att förändra miljöförhållandena för att stimulera tillväxt av mikroorganismer och bryta ned förorenande ämnen. Fall där biormediering vanligtvis ses är oljeutsläpp, jordar som är förorenade med sur gruvdränering, underjordiska rörläckor och sanering av brottsplatser. Dessa giftiga föreningar metaboliseras av enzymer som finns i mikroorganismer. De flesta bioremedieringsprocesser involverar oxidationsreducerande reaktioner där antingen en elektronacceptor (vanligtvis syre) tillsätts för att stimulera oxidation av en reducerad förorening (t.ex. kolväten) eller en elektrondonator (vanligen ett organiskt substrat) tillsätts för att minska oxiderade föroreningar (nitrat, perklorat) , oxiderade metaller, klorerade lösningsmedel, sprängämnen och drivmedel). Bioremediering används för att minska effekterna av biprodukter från antropogena aktiviteter, såsom industrialisering och jordbruksprocesser. I många fall är bioremediering billigare och mer hållbart än andra saneringsalternativ . Andra saneringstekniker inkluderar, termisk desorption , förglasning , luftstripp , biolakning , rhizofiltration , och jordtvätt. Biologisk behandling, bioremediering, är en liknande metod som används för att behandla avfall inklusive avloppsvatten, industriavfall och fast avfall. Slutmålet med bioremediering är att ta bort eller minska skadliga föreningar för att förbättra jord- och vattenkvaliteten.
Föroreningar kan avlägsnas eller reduceras med olika bioremedieringstekniker som är in-situ eller ex-situ . Bioremedieringstekniker klassificeras baserat på behandlingsplatsen. In-situ- tekniker behandlar förorenade platser på ett icke-destruktivt sätt och kostnadseffektivt. Medan ex-situ- tekniker vanligtvis kräver att den förorenade platsen grävs ut vilket ökar kostnaderna. I båda dessa tillvägagångssätt kan ytterligare näringsämnen, vitaminer, mineraler och pH -buffertar tillsättas för att optimera förhållandena för mikroorganismerna. I vissa fall tillsätts specialiserade mikrobiella kulturer ( biostimulering ) för att ytterligare förbättra biologisk nedbrytning . Några exempel på biomedieringsrelaterad teknik är fytoremediering , bioventing , bioattenuation, biosparging , kompostering (biopiles och windrows) och landbruk .
Kemi
De flesta bioremedieringsprocesser involverar oxidationsreducerande ( redox ) reaktioner där en kemisk art donerar en elektron ( elektrondonator ) till en annan art som accepterar elektronen ( elektronacceptor ). Under denna process oxideras elektrondonatorn medan elektronacceptorn reduceras. Vanliga elektronacceptorer i bioremedieringsprocesser inkluderar syre , nitrat , mangan (III och IV), järn (III), sulfat , koldioxid och vissa föroreningar (klorerade lösningsmedel, sprängämnen, oxiderade metaller och radionuklider). Elektrondonatorer inkluderar sockerarter, fetter, alkoholer, naturligt organiskt material, bränslekolväten och en mängd reducerade organiska föroreningar. Den Redoxpotentialen för vanliga biotransformations- reaktioner visas i tabellen.
| Bearbeta | Reaktion | Redoxpotential (E h i mV ) |
|---|---|---|
| aerob | O 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O | 600 ~ 400 |
| anaerob | ||
| denitrifikation | 2NO 3 - + 10e - + 12H + → N 2 + 6H 2 O | 500 ~ 200 |
| mangan IV -reduktion | MnO 2 + 2e - + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O | 400 ~ 200 |
| järn III -reduktion | Fe (OH) 3 + e - + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O | 300 ~ 100 |
| sulfat reduktion | SO 4 2− + 8e - +10 H + → H 2 S + 4H 2 O | 0 ~ −150 |
| jäsning | 2CH 2 O → CO 2 + CH 4 | −150 ~ −220 |
Tekniker på plats
Bioventing
Bioventing är en process som ökar syre- eller luftflödet in i den omättade zonen i marken, vilket i sin tur ökar hastigheten för naturlig i -situ- nedbrytning av den riktade kolväteföroreningen. Bioventing, en aerob bioremediering, är den vanligaste formen av oxidativ bioremedieringsprocess där syre tillhandahålls som elektronacceptor för oxidation av petroleum , polyaromatiska kolväten (PAH), fenoler och andra reducerade föroreningar. Syre är i allmänhet den föredragna elektronacceptorn på grund av det högre energiutbytet och eftersom syre krävs för att vissa enzymsystem ska starta nedbrytningsprocessen. Mikroorganismer kan bryta ner en mängd olika kolväten, inklusive komponenter i bensin, fotogen, diesel och jetbränsle. Under ideala aeroba förhållanden kan bionedbrytningshastigheterna för de alifatiska , alicykliska och aromatiska föreningarna med låg till måttlig vikt vara mycket höga. När föreningens molekylvikt ökar ökar motståndet mot biologisk nedbrytning samtidigt. Detta resulterar i högre förorenade flyktiga föreningar på grund av deras höga molekylvikt och en ökad svårighet att ta bort från miljön.
De flesta bioremedieringsprocesser involverar oxidationsreducerande reaktioner där antingen en elektronacceptor (vanligtvis syre) tillsätts för att stimulera oxidation av en reducerad förorening (t.ex. kolväten) eller en elektrondonator (vanligtvis ett organiskt substrat) tillsätts för att minska oxiderade föroreningar (nitrat, perklorat) , oxiderade metaller, klorerade lösningsmedel, sprängämnen och drivmedel). I båda dessa tillvägagångssätt kan ytterligare näringsämnen, vitaminer, mineraler och pH -buffertar tillsättas för att optimera förhållandena för mikroorganismerna. I vissa fall tillsätts specialiserade mikrobiella kulturer ( bioaugmentering ) för att ytterligare förbättra biologisk nedbrytning.
Tillvägagångssätt för syretillskott under vattennivån inkluderar återcirkulering av luftat vatten genom behandlingszonen, tillsats av rent syre eller peroxider och luftspolning . Återcirkulationssystem består vanligtvis av en kombination av injektionsbrunnar eller gallerier och en eller flera återvinningsbrunnar där det extraherade grundvattnet behandlas, syresätts, ändras med näringsämnen och injiceras igen. Mängden syre som kan tillhandahållas med denna metod begränsas dock av den låga lösligheten av syre i vatten (8 till 10 mg/L för vatten i jämvikt med luft vid typiska temperaturer). Större mängder syre kan tillhandahållas genom att vattnet bringas i kontakt med rent syre eller tillsats av väteperoxid (H 2 O 2 ) till vattnet. I vissa fall injiceras uppslamningar av fast kalcium eller magnesiumperoxid under tryck genom markhål. Dessa fasta peroxider reagerar med vatten frigör H 2 O 2 , som därefter sönderdelas frigör syre. Luftspolning innebär injektion av luft under tryck under vattennivån. Luftinsprutningstrycket måste vara tillräckligt stort för att övervinna vattnets hydrostatiska tryck och motstånd mot luftflöde genom jorden.
Biostimulering
Bioremediering kan utföras av bakterier som är naturligt närvarande i miljön eller tillsätter näringsämnen, denna process kallas biostimulering.
Bakterier, även kända som mikrobier, förekommer naturligt i miljön och används för att bryta ner kolväten. Många biologiska processer är känsliga för pH och fungerar mest effektivt i nära neutrala förhållanden. Lågt pH kan störa pH -homeostas eller öka lösligheten för giftiga metaller. Mikroorganismer kan använda cellulär energi för att upprätthålla homeostas eller så kan cytoplasmatiska förhållanden förändras som svar på yttre pH -förändringar. Anaerober har anpassat sig till låga pH -förhållanden genom förändringar i kol- och elektronflöde, cellmorfologi, membranstruktur och proteinsyntes.
Bioremediering som använder mikrober fungerar genom användning av ett mikrobiellt konsortium . I detta sammanhang är ett mikrobiellt konsortium en symbiotiskt associerad population av mikrober som överlever genom att använda de sekundära metaboliterna av arten runt dem. En enskild art av mikrober är i allmänhet oförmögen att helt bryta ner komplexa molekyler, men kan delvis bryta ned en förening. En annan del av den delvis smälta molekylen kan brytas ned av en annan art i konsortierna, ett mönster som kan upprepas tills miljöföroreningen bryts ner till ofarliga biprodukter.
Vid biostimulering kan tillsats av näringsämnen som är begränsade för att göra miljön mer lämplig för biomediering, näringsämnen som kväve, fosfor, syre och kol kan läggas till systemet för att förbättra behandlingens effektivitet. Näringsämnen krävs för biologisk nedbrytning av oljeföroreningar och kan användas för att minska den negativa produktionen på miljön. Specifikt för marint oljeutsläpp, kväve och fosfor har varit viktiga näringsämnen vid biologisk nedbrytning.
Många biologiska processer är känsliga för pH och fungerar mest effektivt i nära neutrala förhållanden. Lågt pH kan störa pH -homeostas eller öka lösligheten för giftiga metaller. Mikroorganismer kan använda cellulär energi för att upprätthålla homeostas eller så kan cytoplasmatiska förhållanden förändras som svar på yttre pH -förändringar. Vissa anaerober har anpassat sig till låga pH -förhållanden genom förändringar i kol- och elektronflöde, cellmorfologi, membranstruktur och proteinsyntes.
Anaerob bioremediering kan användas för att behandla ett brett spektrum av oxiderade föroreningar inklusive klorerade etylener ( PCE , TCE , DCE , VC) , klorerade etaner ( TCA , DCA ), klormetaner ( CT , CF ), klorerade cykliska kolväten, olika energikällor (t.ex. perklorat , RDX , TNT ) och nitrat . Denna process innefattar tillsats av en elektrondonator till: 1) utarmade bakgrundselektronacceptorer inklusive syre, nitrat, oxiderat järn och mangan och sulfat; och 2) stimulera den biologiska och/eller kemiska reduktionen av de oxiderade föroreningarna. Hexavalent krom (Cr [VI]) och uran (U [VI]) kan reduceras till mindre rörliga och/eller mindre giftiga former (t.ex. Cr [III], U [IV]). På samma sätt kan reduktion av sulfat till sulfid (sulfidogenes) användas för att fälla ut vissa metaller (t.ex. zink , kadmium ). Valet av substrat och injektionsmetod beror på föroreningstypen och fördelningen i akvifer, hydrogeologi och saneringsmål. Substrat kan läggas till med konventionella brunninstallationer, genom direkt-push-teknik, eller genom utgrävning och återfyllning, till exempel genomsläppliga reaktiva barriärer (PRB) eller bioväggar. Produkter med långsam frisättning bestående av ätliga oljor eller fasta underlag tenderar att stanna kvar på plats under en längre behandlingsperiod. Lösliga substrat eller lösliga jäsningsprodukter av substrat med långsam frisättning kan potentiellt migrera via advektion och diffusion, vilket ger bredare men kortare livslängd. De tillsatta organiska substrat först fermenteras till väte (H 2 ) och flyktiga fettsyror (VFA). VFA, inklusive acetat, laktat, propionat och butyrat, ger kol och energi för bakteriell metabolism.
Bioattenuation
Under bioattenuation sker biologisk nedbrytning naturligt med tillsats av näringsämnen eller bakterier. De inhemska mikroberna som är närvarande bestämmer den metaboliska aktiviteten och fungerar som en naturlig dämpning. Även om det inte finns någon antropogen inblandning i bioattenuering, måste den förorenade platsen fortfarande övervakas.
Biosparning
Biosparning är processen för grundvattenrening eftersom syre och möjliga näringsämnen injiceras. När syre injiceras stimuleras inhemska bakterier för att öka nedbrytningshastigheten. Biosparning fokuserar dock på mättade förorenade zoner, specifikt relaterade till sanering av grundvatten.
Ex Situ -tekniker
Biopiler
Biopiler, liknande bioventing, används för att minska petroleumföroreningar genom att införa aeroba kolväten i förorenade jordar. Marken grävs dock upp och staplas med ett luftningssystem. Detta luftningssystem förbättrar mikrobiell aktivitet genom att införa syre under positivt tryck eller tar bort syre under negativt tryck.
Fönster
Fönstersystem liknar komposttekniker där jorden periodiskt vänds för att förbättra luftning. Denna periodiska svängning gör också att föroreningar som finns i marken kan fördelas enhetligt vilket påskyndar processen med bioremediering.
Jordbruk
Jordbruk, eller markbehandling, är en metod som vanligtvis används för slamutsläpp. Denna metod sprider förorenad jord och luftar jorden genom att cykliskt rotera. Denna process är ovan markanvändning och förorenade jordar måste vara grunda för att mikrobiell aktivitet ska stimuleras. Men om kontaminationen är djupare än 5 fot, måste jorden grävas till ovan mark.
Tungmetaller
Tungmetaller blir närvarande i miljön på grund av antropogena aktiviteter eller naturliga faktorer. Antropogen verksamhet inkluderar industriutsläpp, elektroniskt avfall och malmbrytning. Naturliga faktorer inkluderar mineralvittring, jorderosion och skogsbränder. Tungmetaller inklusive kadmium, krom, bly och uran är till skillnad från organiska föreningar och kan inte brytas ned biologiskt. Bioremedieringsprocesser kan emellertid potentiellt användas för att minska rörligheten för detta material i underjorden, vilket minskar risken för exponering för människor och miljö. Tungmetaller från dessa faktorer finns huvudsakligen i vattenkällor på grund av avrinning där det tas upp av marin fauna och flora.
Rörligheten hos vissa metaller inklusive krom (Cr) och uran (U) varierar beroende på materialets oxidationstillstånd. Mikroorganismer kan användas för att minska toxiciteten och rörligheten för krom genom att reducera sexvärt krom, Cr (VI) till trevärd Cr (III). Uran kan reduceras från det mer rörliga U (VI) oxidationstillståndet till det mindre rörliga U (IV) oxidationstillståndet. Mikroorganismer används i denna process eftersom minskningen av dessa metaller ofta är långsam om den inte katalyseras av mikrobiella interaktioner Forskning pågår också för att utveckla metoder för att avlägsna metaller från vatten genom att öka metallens sorption till cellväggar. Detta tillvägagångssätt har utvärderats för behandling av kadmium, krom och bly. Fytoextraktionsprocesser koncentrerar föroreningar i biomassan för senare avlägsnande.
Bekämpningsmedel
För olika herbicider och andra bekämpningsmedel har både aeroba och anaeroba - heterotrofer visat sig vara effektiva, inklusive Flavobacterium spp. och Arthrobacter spp. Aerober är det primära valet för organofosfater och icke- klorerade ämnen. Klorerade strukturer (oftast DDT , DDE (diklordifenyldikloretylen) , heptaklor , dieldrin och klordan ) är svåra att verkligen avgifta, men triaziner och organofosfater (inklusive malation och parathion ) är relativt lättare att hitta ett botemedel för. Detta är särskilt användbart för atrazin (ett triazin) som tidigare var ökänt ihållande.
Begränsningar av bioremediering
Bioremediering kan användas för att helt mineralisera organiska föroreningar, för att delvis omvandla föroreningarna eller ändra deras rörlighet. Tungmetaller och radionuklider är element som inte kan biologiskt nedbrytas, men kan omvandlas till mindre rörliga former. I vissa fall mineraliserar mikroberna inte föroreningen helt, vilket potentiellt producerar en mer giftig förening. Till exempel, under anaeroba förhållanden kan den reduktiva avhalogeneringen av TCE producera dikloroetylen (DCE) och vinylklorid (VC), som är misstänkta eller kända cancerframkallande ämnen . Emellertid kan mikroorganismen Dehalococcoides ytterligare reducera DCE och VC till den giftfria produkten eten. Ytterligare forskning krävs för att utveckla metoder för att säkerställa att produkterna från biologisk nedbrytning är mindre ihållande och mindre giftiga än den ursprungliga föroreningen. Således måste de metaboliska och kemiska vägarna för mikroorganismerna av intresse vara kända. Dessutom kommer kunskapen om dessa vägar att hjälpa till att utveckla ny teknik som kan hantera platser som har ojämn fördelning av en blandning av föroreningar.
För att biologisk nedbrytning ska ske måste det också finnas en mikrobiell population med metabolisk förmåga att bryta ned föroreningen, en miljö med rätt växande förhållanden för mikroberna och rätt mängd näringsämnen och föroreningar. De biologiska processerna som används av dessa mikrober är mycket specifika, därför måste många miljöfaktorer beaktas och regleras också. Således måste bioremedieringsprocesser göras specifikt i enlighet med förhållandena på den förorenade platsen. Många faktorer är beroende av varandra, såsom småskaliga tester som vanligtvis utförs innan proceduren utförs på den förorenade platsen. Det kan dock vara svårt att extrapolera resultaten från de småskaliga teststudierna till stora fältoperationer. I många fall tar biormediering mer tid än andra alternativ som markpåfyllning och förbränning . Ett annat exempel är bioventing, vilket är billigt att bioremediera förorenade platser, men denna process är omfattande och kan ta några år att sanera en plats.
I jordbruksindustrin är användningen av bekämpningsmedel en avgörande faktor för direkt markförorening och avrinningsvattenförorening. Begränsningen eller saneringen av bekämpningsmedel är den låga biotillgängligheten. Att ändra pH och temperatur för den förorenade jorden är en resolution för att öka biotillgängligheten vilket i sin tur ökar nedbrytningen av skadliga föreningar.
Föreningen akrylnitril produceras vanligtvis i industriell miljö men förorenar marken negativt. Mikroorganismer som innehåller nitrilhydrataser (NHas) bryter ned skadliga akrylnitrilföreningar till icke-förorenande ämnen.
Eftersom erfarenheten av skadliga föroreningar är begränsad krävs laboratoriepraxis för att utvärdera effektivitet, behandlingsdesign och uppskatta behandlingstider. Bioremedieringsprocesser kan ta flera månader till flera år beroende på storleken på det förorenade området.
Genteknik
Användningen av genteknik för att skapa organismer som är särskilt utformade för bioremediering är under preliminär forskning. Två kategorier av gener kan sättas in i organismen: nedbrytande gener som kodar för proteiner som krävs för nedbrytning av föroreningar och reportergener som kan övervaka föroreningsnivåer. Många medlemmar av Pseudomonas har också modifierats med lux -genen, men för detektion av det polyaromatiska kolvätenaftalenet. Ett fälttest för frisättning av den modifierade organismen har varit framgångsrikt i måttligt stor skala.
Det finns farhågor kring utsläpp och inneslutning av genetiskt modifierade organismer i miljön på grund av potentialen för horisontell genöverföring. Genmodifierade organismer klassificeras och kontrolleras enligt Toxic Substances Control Act från 1976 under United States Environmental Protection Agency . Åtgärder har tagits för att ta itu med dessa problem. Organismer kan modifieras så att de bara kan överleva och växa under specifika miljöförhållanden. Dessutom kan spårningen av modifierade organismer underlättas med införandet av bioluminescensgener för visuell identifiering.
Genetiskt modifierade organismer har skapats för att behandla oljeutsläpp och bryta ner viss plast (PET).
Se även
- Bionedbrytning
- Bioleaching
- Bioremediering av radioaktivt avfall
- Biosurfaktant
- Chelation
- Holländska standarder
- Folkewall
- Lista över miljöämnen
- Levande maskiner
- Grön vägg
- Mega Borg oljespill
- Mikrobiell biologisk nedbrytning
- Mycoremediation
- Mycorrhizal Bioremediering
- Fytormediering
- Pseudomonas putida (används för nedbrytning av olja)
- Restaurering ekologi
- Amerikansk mikrobik
- Xenokatabolism