Wykład VI

 

Bioremediacja wód i gleb – metoda biologicznego oczyszczania gleb

 

-          grunty zdewastowane : grunty, które utraciły całkowicie wartości użytkowe

-          grunty zdegradowane : grunty w których nastąpiło okresowe zachwianie równowagi biologicznej, osłabienie lub zahamowanie homeostazy w wyniku działania czynników biologicznych, chemicznych lub fizycznych.

 

Kryteria oceny stopnia degradacji gruntów (około 100 000 ha wymagających rekultywacji):

-          wzrost roślin

o         b. mała (niewielkie zmiany w rozwoju roślin)

o         degradacja średnia (punktowe zamieranie roślin)

o         duża (50 % plonów)

o         b. duża (całkowity brak rozwoju roślin)

-          zawartość węglowodorów

o         np. CCl4 (do 0,04 %)

-          stosunek C : N

o         degradacja mała (C:N od 8:1 do 10:1)

o         duża (45:1)

-          liczebność mikroorganizmów

o         żyzna gleba 10^7 – 10^9 komórek / 1 gram suchej masy gleby

o         piaski Sahary 1 komórka / 1 gram suchej masy gleby

 

Przyczyny degradacji gleb / zmęczenia gleby :

1.        biologiczne

a.        zwolnienie tempa procesów syntezy i rozkładu (liczebność i aktywność mikroorganizmów ulega zmniejszeniu – staje się gleba martwą)

b.        nagromadzenie inhibitorów bakteryjnych i grzybowych (szereg związków wpływających na działalność innych org. na mikroorganizmy np. niektóre grzyby – hamują rozwój Azotobacter – bakterii korzystnych dla gleby) )

c.        nagromadzenie fitoncydów (wydzielane np. przez cebulę, czosnek, tytoń : tam, gdzie były hodowane, przez najbliższy czas nie można posadzić nic innego)

d.        rozwój mikroorganizmów pasożytniczych (np. rośliny motylkowe powodują wykoniczenie / wylucennienie gleby : tu rozwijają się bakteriofagi atakujące Rhizopoda – bakterie brodawkowe)

2.        niebiologiczne

a.        zakwaszenie gleby

b.        zanieczyszczenie pestycydami

c.        przeazotowienie

d.        kumulacja metali ciężkich

e.        zanieczyszczenie związkami ropopochodnymi oraz wielopostaciowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA)

 

Ad.a zakwaszenie gleby

26% gleby b. kwaśne (pH poniżej 4,5 %)

35 % gleby kwaśne (pH < 7)

Główne przyczyny :

-          warunki glebowe i klimatyczne

-          występowanie gleb piaszczystych (są to gleby kwaśne)

-          zanieczyszczenie tlenkami azotu i siarki

W glebach kwaśnych wzrasta rozpuszczalność związków mineralnych, kumulacja metali ciężkich przez rośliny (pobierają formę zjonizowaną, bardziej szkodliwą – w środowisku kwaśnym metale występują w postaci zjonizowanej!) oraz liczebność bakterii (lepiej sioę rozwijają w takim środ.)

Przeciwdziałanie :

-          wapnowanie ; nie wprowadza się do gleby tzw. soli fizjologicznie kwaśnych np. siarczan amonu

-          hodowla tzw. roślin siarkolubnych np. motylkowych

 

Ad.b. pestycydy

449 preparatów, w tym 32 o I klasie toksyczności.

Mikroorganizmy glebowe posiadają zdolność :

-          całkowitej mineralizacji niektórych pestycydów

-          zmiany ich budowy (detoksykacja lub aktywacje è mogą także szkodzić!)

Metabolizm pestycydów polega na :

-          dehalogenacji, dealkilacji, dezaminacji, hydrolizie, oksydacji, redukcji, rozszczepieniu pierścienia.

 

Ad.c zw. azotowe

Przyczyny zanieczyszczeń gleby :

-          barwniki anilinowe (propanil)

-          materiały wybuchowe (TNT)

-          nawozy azotowe

za przemiany związków azotu są odpowiedzialne:

-          bakterie denitryfikacyjne

NO3- è NO2- è NO è N2O è N2

Środowisko beztlenowe – istnieje ryzyko kumulacji azotynów (duże powodzie np. na łące : w ciągu kilku dni robi się żółta)

-          nitryfikacyjne

I faza     NH3 + 1,5 O2 è NO2- + H2O + H+

II faza    NO2- +0,5 O2 è NO3-

Najlepiej przyswajane przez rośliny są azotany, mikroorganizmy najchętniej używają jonów amonowych (korzystny proces – nie ma konkurencji między bakteriami a roślinami), wymagają wapnowania (zapewnienie alkalicznego środowiska, co sprzyja rozwojowi bakterii nitryfikacyjnych) i mieszania. Ryzyko – zmiana warunków na beztlenowe.

-          proteolityczne

-          wiążące azot

Ad.d. metale ciężkie

Mikroorganizmy posiadają zdolność :

-          akumulacji (wewnątrz i zewnątrzkomórkowej)

-          wytwarzania związków unieczynniających i unieszkodliwiających metale ciężkie

-          wytwarzanie tzw. plazmidów ‘R’ zabezpieczających komórki przed szkodliwym działaniem metali ciężkich

-          uczestniczą w przemianach metali ciężkich           

o         Detoksykacja żelaza i manganu

Mn2+ è Mn4+

Fe3+ è Fe2+

o         Biometylacja rtęci (forma zmetylowana, związek szalenie toksyczny – niekorzystny efekt!!)

Hg2+ è Hg(CH2)-

o         Konwersje rtęci

Hg2+ (MUR – kompleks enzymatyczny)è Hg0

Toksyczność metali zależy od:

-          stopnia dysocjacji tworzonych przez nie połączeń

-          odczynu gleby (zaburzenie : przejście w formę zjonizowaną w środowisku kwaśnym)

-          zawartości substancji organicznych w glebie

-          rodzaju gleby (kompleks sorpcyjny gleby)

-          Gatunku i wieku rośliny

o         młode rośliny pobierają więcej metali ciężkich niż stare!

o         Sałata, tytoń : kumulują olbrzymie ilości metali

Wpływ pH na rozpuszczalność ołowiu w glebie (Pb2+ - szalenie toksyczny)

Ph

Pb2+

PbO, PbS, PbCO2, Pb(OH)2

7,0

0 %

100 %

6,4

0,2 %

99,8 %

4,0

39 %

61 %

Obojętne, czy rozpuszczalność wynosi 0,2 czy 39% - toksyczny ołów jest już dostępny dla roślin (nawet gdy jest to 0,2 : ulega pobraniu przez rośliny, po czym następna porcja ulega rozpuszczeniu)

Ad.e. WWA (węglowodory aromatyczne)

Przyczyny zanieczyszczenia gleby :

-          wycieki ropy naftowej i oleju napędowego

-          spalanie substancji organicznej

Stężenie WWA w glebie 1-5 μg / 1 kg suchej masy (żyzna gleba)

 

Ogólna liczba bakterii w glebie

10^ - 10^9

Tzw. tło : zawsze tyle w naturalnym środowisku

Bakterie zdolne do rozkładu WWA

10^4 – 10^5

Żyzna gleba – czyli taka, która nie miała jeszcze nigdy kontaktu z WWA

-„- w glebie zanieczyszczonej

10^6 – 10^8

Np. w pobliżu stacji benzynowej, gdzie bakterie miały odp. warunki do namnożenia się.

 

Rozkład WWA w glebie zanieczyszczonej ściekami z rafinerii po upływie 4 lat

WWA

% rozkładu

3 – pierścieniowe

96

4 – pierścieniowe

53

5 – pierścieniowe

23

6 – pierścieniowe

22

Metody rekultywacji

-          in situ (w miejscu)

-          ax situ (po wydobyciu)

o         on site (na miejscu)

o         off site (po wywiezieniu))

-          techniczne

o         spalanie gleby, przewożenie itp.

-          biologiczne

o         naturalna bioremediacja (metody agrotechniczne :

§          przeorywanie, wapniowanie – rozwój bakterii nitryfikujących,

§          hodowla roślin : posianie, zebranie plonu... np. trawy, motylkowe – usunięcie związków siarki

§          zapewnienie odpowiedniej wilgotności

o         zastosowanie immobilizowanych bakterii (perełki gleby itp., wykorzystanie mikroflory bakteryjnej)

 

Czasami nad pryzmami umieszczane są namioty – przy WWA aby zapobiec zanieczyszczeniu atmosfery produktami rozkładu.

 

 

 

 

 

 

Studnie są budowane tuż obok plamy zanieczyszczeń, ważne jest odnalezienie warstwy nieprzepuszczalnej – inaczej zanieczyszczenia będą przenikać nam do wód gruntowych.

Oczyszczanie wód gruntowych :

1.        skażenie wód podziemnych zależy od :

a.        stopnia zanieczyszczenia wód zaskórnych

b.        struktury gruntu

2.        migracje zanieczyszczeń z powierzchni do wód wgłębnych można podzielić na dwie fazy:

a.        I : przeczesanie w kierunku PIONOWYM przez strefę aeracji (pionowe rozchodzenie się zanieczyszczeń w strefie aeracji jest ograniczone do głębokości 3 m)

b.        II : -„- POZIOMYM w strefie saturacji. Odległości, na które przemieszczają się bakterie w wodach podziemnych (5 – 850 m) jest średnio 10x większa od tej , która osiągają rozpuszczone w niej zanieczyszczenia chemiczne.

Wirusy – 400 –500m

3.        w procesie oczyszczania wód gruntowych biorą udział mikroorganizmy (największe ich ilości spotyka się w wodach zaskórnych na głębokości 0,3 – 2 m)

 

 

 

 

Metoda usuwania zanieczyszczeń poprzez wprowadzenie egzogennego akceptora

w postaci tlenu

W warunkach in – situ stosuje się następujące metody uzdatniana wód gruntowych :

-          wybudowanie studni z zanurzonym dyfuzorem

-          wtłaczanie powietrza i jego odbiór w innym miejscu

-           wspomaganie procesów zachodzących w wodach podziemnych przez wprowadzenie powietrza i związków odżywczych.

Bioremediacja (bioodzysk) -  zespół zabiegów stymulujących charakterystycznych dla określonego środowiska mikroorganizmów do usuwania chemicznych zanieczyszczeń (w tym metali ciężkich; głównie z gleby i wód gruntowych). Najprostsza i najbardziej znana metoda  – remediacja bakteryjna.

Zachęcenie mikroorganizmów do szybszego degradowania niebezpiecznych  zanieczyszczeń do ilości bezpiecznych dla środowiska.

 
 

 

 

W skład technologii bioremediacji wchodzi :

-          bioremediacja podstawowa : monitoring naturalnego procesu biodegradacji

-          biostymulacja : przeprowadzenie modyfikacji środowiskowej np. dostarczanie pożywek dla mikroorganizmów lub napowietrzanie terenu poddawanego bioremediacji

-          bioaugmentacja : wprowadzanie dodatkowych mikroorganizmów (zaszczepianie)

MIKROORGANIZMY – WYMAGAJĄ WODY!!! (musimy także zdecydować, jakie warunki chcemy wykorzystać : beztlenowe czy tlenowe)

Czynnik środowiskowy

Poziom optymalny

dostępność wody

25 – 85%

Tlen

 tlenowe powyżej 0,2 mg rozpuszczonego tlenu w litrze

beztlenowe – zawartość tlenu nie powinna przekraczać 1 %

potencjał redoks

tlenowe > 50 mV

beztlenowe < 50 mV

PH

5,5 – 8,5

substancje pokarmowe

C, N, P i innych w stężeniach nie powodujących zahamowania wzrostu, optymalny stosunek C :N:P = 120 : 10 :1

Temperatura

4 – 45˚ C

 

(BIO)ŁUGOWANIE METALI CIĘŻKICH

Obecność metali ciężkich w środowisku zależy od :

-          czynników naturalnych np. erupcje wulkanów, wietrzenie skał

-          czynników antropogenicznych np.: procesy spalania w elektrowniach, kotłowniach, transport drogowy, górnictwo rud metali, odpady przemysłowe....

Z drugiej strony:

-          złoża wielu minerałów ulegają wyczerpaniu

-          gromadzone są olbrzymie hałdy materiałów

1 tona Cu ==> 15 ton odpadów.

1.        mikrobiologiczne ługowanie metali z odpadów przemysłowych i osadów ściekowych

Biohydrometalurgia – wykorzystywanie mikroorganizmów do wydobywania metali z rud.

Wykorzystywanie zdolności niektórych kwasolubnych bakterii utleniających siarkę i / lub żelazo do przeprowadzania nierozpuszczalnych siarczków metali w rozpuszczalne siarczany. Najbardziej efektywne w procesie ługowania okazują się mieszaniny szczepów bakteryjnych (gatunków) : głównie chemolitoautotrofy

-          Acidithiobacillus Ferrooxidans

-          Acidithiobacillus thiooxidans

-          Lepiospirillum Ferrooxidans

o         wymagają one kwaśnego środowiska (pH 1,5 – 3,0)

o          utleniają zredukowana siarkę i żelazo w celu zdobycia energii,

o          zdolność autotroficznego zdobywania węgla (CO2 z powietrza)

o         są to bakterie tlenowe

Wzrost w kwaśnym środowisku oraz synteza materii organicznej z CO2 wymaga dużego nakładu energetycznego (dostarczanie dużych ilości energii).

Schemat utleniania pirytu przez bakterie z rodziny Acidithiobacillus

I.                     FeS2 + 3,5 O2 + H2O è FeSO4 + H2SO4 (środowisko kwaśne) r. czysto chemiczna

II.                   FeSO4+ O2 + 2 H2SO4è Acidithiobacillus è Fe2(SO4)2 + 2 H2O (r. mikrobiologiczna)

III.                                                     FeS2 + 2 Fe2(SO4)2  è 2 FeSO4 + 2S0

IV.                                2 S0 + 3O2  + 2 H2O è Acidithiobacillus è 2 H2SO4

 

I – charakter abiotyczny, powolna reakcja

II – Fe2+èFe3+, reakcja szybsza ponieważ powstający Fe2(SO4)2 jest silniejszym utleniaczem

III – Fe2(SO4)2  powstały reaguje z pirytem (utlenianie pirytu przestaje być ograniczone do etapu I )

IV siarka metaliczna utleniana do kwasu siarkowego przez A. ferrooxidans.

 

Skrócony schemat reakcji :

4 FeS2 + 15 O2 + 2 H2O è 2Fe2(SO4)2 + 2 H2SO4

Ługowanie metali : Cieczą ługującą jest najczęściej H2O o pH 1,9 wzbogacona w odpowiednie składniki np. 10 M H2SO4. Stosuje się też inne roztwory.

 

Ługowanie uranu

4 UO2 + 2Fe2(SO4)2 è 4 U2SO42 + 2 FeSO4 (I etap : chemiczny)

4 Fe2+ + O2 + 4 H+ è 4 Fe3+ + 2 H2O II etap : mikrobiologiczny

 

Podsumowanie procesu ługowania ;

-          ma złożony charakter i przebiega przy udziale czynników biologicznych i fizykochemicznych

-          do złoża wprowadza się ciecz ługującą o odpowiednim składzie , następuje wzrost bakterii wynikiem czego jest:

o         solne zakwaszenie środowiska

o         wzrost temperatury

o         wzrost potencjału redoks

-          mikroorganizmy wytwarzają związki powierzchniowo czynne, kwasy organiczne i związki chelatujące, tworzą sole i kompleksy z metalami, przeprowadzając je z postaci nierozpuszczalnych w rozpuszczalne.

-          Wydzielane przez mikroorganizmy enzymy adsorbują się na powierzchni minerału powodując zachodzenie reakcji biochemicznych

-          Utlenianie przez mikroorganizmy kolejnych siarczków do siarczanów (S2-èSO42-), sprzyja postępującej dysocjacji MeS è Me2+ + S2-

2.        zastosowanie tradycyjnych metod przerobu rud metali tzw. mikrobiologiczne ługowanie minerałów

 

Mikrobiologiczne odsiarczanie węgla i ropy naftowej

węgiel

Podczas spalania węgla powstaje CO2 zanieczyszczający atmosferę. Konwencjonalne metody oczyszczania są nieskuteczne, prowadzone są badania.

Skład skały węglowej:

C

75 – 79%

H2

2,5 – 5,5 %

O2

2,5 –18%

S

0 – 7,0%

N

Do 3,5 %

H2O

1-8%

 

 

 

Formy siarki :

-          drobno rozproszone w matrycy węglowej lub paski dużych wtrąceń, stosunki ilościowe między różnymi postaciami siarki w różnych węglach są zróżnicowane

-          organiczna

-          nieorganiczna

  węgle amerykańskie : 5 % S

japońskie : 1,47 – 1,69 % s

polskie 1,7 –3,5 % S

Biodesulfuryzacja – proces usuwania z węgla siarki zarówno organicznej jak i nieorganicznej.

W kwaśnym pH (<4) zaczynają rozwijać się kwasolubne bakterie utleniające związki siarki

 

Ropa naftowa

Przepisy prawne są coraz bardziej rygorystyczne i obecnie zawartość % siarki w ropie naftowej nie może być większa niż 0,005 %..

-          HDS (hydrodesulfuryzacja ) r. chemiczna  konwersja siarki organicznej do H2S

r. frakcji olejowej ; temp. 455-290, ciśnienie 10-27 atmosfer

Sorg + H2 ==> H2S

-          BDS (biodesulfuryzacja), przeprowadzana przez organizmy tlenowe lub beztlenowe

 

Tlenowe

Rhodococcus szczepy IGTS8, ECRD1, Agrobacterium HC501, Mycobacterium G3, Kleksella sp.

Beztlenowe

Desulfovibra desulfurican M6

 

Aby mikroorganizmy wbudowywały siarkę w swoja biomasę nie pobierając jednocześnie węgla (czyli chodzi nam o zerwanie wiązań C –S z nienaruszonymi C-C)

Prowadzone są badania mające na celu intensyfikację tego procesu (w ich trakcie uzyskano m.in. szereg genetycznie zmodyfikowanych szczepów Rhodococcus (duplikacja genu DS2)