Bioremedierea: caracteristici, tipuri, avantaje și dezavantaje

Bioremedierea reprezintă un set de biotehnologii de igienizare ecologică care utilizează capacitățile metabolice ale microorganismelor bacteriene, fungilor, plantelor și / sau enzimelor lor izolate pentru a elimina contaminanții din sol și apă.

Microorganismele (bacterii și ciuperci) și unele plante pot biotransforma o mare varietate de compuși organici toxici și poluanți, făcându-i să nu fie nocivi sau inofensivi. Aceștia pot chiar să biodegradeze anumiți compuși organici în formele lor cele mai simple, precum metanul (CH ₄ ) și dioxidul de carbon (CO ₂ ).

De asemenea, unele microorganisme și plante pot extrage sau imobiliza în mediu ( in situ) elemente chimice toxice, cum ar fi metalele grele. Prin imobilizarea substanței toxice în mediul înconjurător, ea nu mai este disponibilă organismelor vii și, prin urmare, nu le afectează.

De aceea, scăderea biodisponibilității unei substanțe toxice este, de asemenea, o formă de bioremediere, deși nu implică eliminarea substanței din mediu.

În prezent, există un interes științific și comercial în creștere în dezvoltarea tehnologiilor economice cu impact redus asupra mediului (sau "ecologic"), cum ar fi bioremedierea apelor de suprafață, a apelor subterane, a nămolurilor și a solului contaminat.

Caracteristicile bioremedierii

Contaminanții care pot fi bioremediați

Printre poluanții care au fost bioremediați se numără metalele grele, substanțele radioactive, poluanții organici toxici, substanțele explozive, compușii organici derivați din petrol (hidrocarburi poliaromatice sau HPA), fenoli, printre altele.

Condiții fizico-chimice în timpul bioremedierii

Deoarece procesele de bioremediere depind de activitatea microorganismelor și a plantelor vii sau enzimele lor izolate, trebuie menținute condițiile fizico-chimice adecvate pentru fiecare organism sau sistem enzimatic, în scopul optimizării activității lor metabolice în procesul de bioremediere.

Factorii care trebuie să fie optimizați și întreținuți pe tot parcursul procesului de bioremediere

- Concentrația și biodisponibilitatea poluantului în condiții de mediu: deoarece, dacă este prea mare, poate fi dăunător pentru aceleași microorganisme care au capacitatea de a le biotransforma.

Umiditatea: disponibilitatea apei este esențială pentru organismele vii, precum și pentru activitatea enzimatică a catalizatorilor biologici fără celule. În general, trebuie menținută o umiditate relativă de 12 până la 25% în solurile supuse bioremediării.

Temperatura: trebuie să fie în intervalul care permite supraviețuirea organismelor aplicate și / sau activitatea enzimatică necesară.

- Nutrienții biodisponibili: esențiali pentru creșterea și multiplicarea microorganismelor de interes. Trebuie controlate în principal carbonul, fosforul și azotul, precum și unele minerale esențiale.

- Aciditatea sau alcalinitatea mediului apos sau pH-ul (măsurarea ionilor H + în mediu).

- Disponibilitatea oxigenului: în majoritatea tehnicilor de bioremediere se utilizează microorganisme aerobe (de exemplu, în compost, biopile și cultivarea terenurilor ) și este necesară aerarea substratului. Cu toate acestea, microorganismele anaerobe pot fi utilizate în procesele de bioremediere în condiții de laborator foarte controlate (folosind bioreactoare).

Tipuri de bioremediere

Printre biotehnologiile de bioremediere aplicate se numără:

biostimulare

Biostimularea constă în stimularea in situ a acelor microorganisme deja prezente în mediul contaminat (microorganisme autohtone) capabile să bioremediceze substanța contaminantă.

Biostimularea in situ este realizată prin optimizarea condițiilor fizico-chimice pentru ca procesul dorit să aibă loc, adică; pH-ul, oxigenul, umiditatea, temperatura, printre altele, și adăugarea nutrienților necesari.

bioaugmentation

Bioaugmentarea implică creșterea cantității de microorganisme de interes (de preferință autohton), datorită adăugării inoculului lor cultivat în laborator.

Ulterior, după inocularea microorganismelor de interes in situ, trebuie să se optimizeze condițiile fizico-chimice (cum ar fi biostimularea), pentru a promova activitatea degradantă a microorganismelor.

Pentru aplicarea bioaugmentării, trebuie luate în considerare costurile culturii microbiene în bioreactoare în laborator.

Ambele biostimulare și bioaugmentare pot fi combinate cu toate celelalte biotehnologii descrise mai jos.

compostare

Compostarea constă în amestecarea materialului contaminat cu sol necontaminat suplimentat cu agenți de îmbunătățire a plantelor sau a animalelor și nutrienți. Acest amestec formează conuri de până la 3 m înălțime, separate unul de celălalt.

Oxigenarea straturilor inferioare ale conurilor trebuie să fie controlată, prin îndepărtarea regulată de la un loc la altul, cu mașini. De asemenea, trebuie menținute condițiile optime de umiditate, temperatură, pH, nutrienți, printre altele.

biocelule

Tehnica de bioremediere cu biopile este aceeași cu cea a tehnicii de compostare descrisă mai sus, cu excepția:

Absența unor agenți de îmbunătățire de origine vegetală sau animală.
Eliminarea aerisirii prin mișcarea de la un loc la altul.

Biopilele rămân fixe în același loc, fiind aerate în straturile lor interne printr-un sistem de conducte, ale cărui costuri de instalare, operare și întreținere trebuie să fie luate în considerare în faza de proiectare a sistemului.

landfarming

Biotehnologia numită "landfarming" (tradusă din limba engleză: sculptată de pe pământ) constă în amestecarea materialului contaminat (nămol sau sediment) cu primele 30 cm de sol necontaminat al unui teren extins.

În acești primii centimetri de sol este favorizată degradarea substanțelor poluante grație aerării și amestecării. Pentru această lucrare se folosesc mașini agricole, cum ar fi tractoarele pentru plow.

Principalul dezavantaj al fermei ecologice este faptul că necesită în mod necesar terenuri mari, care ar putea fi utilizate pentru producția de alimente.

fitoremedierea

Phytoremedierea, numită și bioremediere asistată de microorganisme și plante, este un set de biotehnologii bazate pe utilizarea plantelor și a microorganismelor pentru îndepărtarea, limitarea sau reducerea toxicității substanțelor contaminante în apele de suprafață sau subterane, noroi și sol.

În timpul degradării fitoremediare, poate să apară extracția și / sau stabilizarea (reducerea biodisponibilității) contaminantului. Aceste procese depind de interacțiunile dintre plante și microorganisme care trăiesc foarte aproape de rădăcinile lor, într-o zonă numită rhizosphere .

Fitooremedierea a avut un succes deosebit în eliminarea metalelor grele și a substanțelor radioactive din sol și din apele subterane sau subterane (sau rhizofiltrarea apei contaminate).

În acest caz, plantele acumulează metalele mediului în țesuturile lor și apoi sunt recoltate și incinerate în condiții controlate, astfel încât poluantul să dispară în mediul înconjurător, să fie concentrat sub formă de cenușă.

Cenușa obținută poate fi tratată pentru a recupera metalul (dacă este de interes economic) sau poate fi abandonat în locurile de eliminare finală a deșeurilor.

Un dezavantaj al fitoremedierelor este lipsa cunoașterii aprofundate a interacțiunilor care apar între organismele implicate (plante, bacterii și, eventual, ciuperci mycorrhizal).

Pe de altă parte, trebuie menținute condițiile de mediu care să răspundă nevoilor tuturor agențiilor aplicate.

bioreactoare

Bioreactoarele sunt containere de dimensiuni considerabile, care permit menținerea condițiilor fizico-chimice foarte controlate în mediile de cultură apoasă, cu scopul de a favoriza un proces biologic de interes.

În bioreactoare, microorganismele și ciupercile bacteriene pot fi cultivate pe scară largă și în laborator și apoi aplicate în procesele de bioaugmentare in situ. Microorganismele pot fi cultivate, de asemenea, în scopul obținerii enzimelor lor degradante de substanțe contaminante.

Bioreactoarele sunt utilizate în procesele de bioremediere ex situ, când substratul contaminat este amestecat cu mediul de cultură microbian, favorizând degradarea contaminantului.

Microorganismele cultivate în bioreactoare pot fi chiar anaerobe, caz în care mediul de cultură apos trebuie să lipsească cu oxigen dizolvat.

Dintre biotehnologiile de bioremediere, utilizarea bioreactoarelor este relativ scumpă, datorită întreținerii echipamentului și a cerințelor pentru cultura microbiană.

mycoremediation

Micoremediarea se referă la utilizarea microorganismelor fungice (ciuperci microscopice) în procesele de bioremediere ale unei substanțe toxice contaminante.

Trebuie să se considere că cultivarea ciupercilor microscopice este, de obicei, mai complexă decât cea a bacteriilor și implică, prin urmare, costuri mai mari. În plus, ciupercile cresc și se reproduc mai încet decât bacteriile, iar bioremedierea asistată de ciuperci este un proces mai lent.

Bioremedierea față de tehnologiile fizice și chimice convenționale

-advantages

Biotehnologiile de bioremediere sunt mult mai economice și mai prietenoase față de mediu decât tehnologiile chimice și fizice de salubrizare a mediului convențional aplicate.

Aceasta înseamnă că aplicarea bioremedierii are un impact mai redus asupra mediului decât practicile fizico-chimice convenționale.

Pe de altă parte, printre microorganismele aplicate în procesele de bioremediere, unii pot continua să mineralizeze compușii contaminanți, asigurând dispariția lor din mediul înconjurător, ceva dificil de realizat într-o singură etapă cu procesele fizico-chimice convenționale.

- Dezavantaje și aspecte de luat în considerare

Capacități metabolice microbiene existente în natură

Întrucât doar 1% din microorganismele existente în natură au fost izolate, o limitare a bioremedierii este tocmai identificarea microorganismelor capabile să biodegradeze o substanță contaminantă specifică.

Ignoranța sistemului aplicat

Pe de altă parte, bioremedierea funcționează cu un sistem complex de două sau mai multe organisme vii, care, în general, nu este complet cunoscut.

Unele microorganisme studiate au biotransformat compușii contaminanți în chiar și produse secundare toxice. Din acest motiv, este necesar să se studieze anterior în laborator organismele bioremediare și interacțiunile lor profunde.

În plus, testele pilot la scară mică (în teren) trebuie efectuate înainte de aplicarea în masă și, în final, trebuie monitorizate procesele de bioremediere in situ pentru a se asigura că salubritatea mediului are loc corect.

Extrapolarea rezultatelor obținute în laborator

Datorită complexității ridicate a sistemelor biologice, rezultatele obținute la scară mică în laborator nu pot fi întotdeauna extrapolate la procesele din domeniu.

Particularitățile fiecărui proces de bioremediere

Fiecare proces de bioremediere implică un proiect experimental specific, în funcție de condițiile particulare ale locului contaminat, tipul de contaminant care trebuie tratat și organismele care trebuie aplicate.

Prin urmare, este necesar ca aceste procese să fie dirijate de grupuri interdisciplinare de specialiști, printre care trebuie să existe biologi, chimici, ingineri, printre altele.

Menținerea condițiilor fizico-chimice de mediu pentru a favoriza creșterea și activitatea metabolică de interes implică o sarcină permanentă în timpul procesului de bioremediere.