BIOREMEDIERE: CARACTERISTICI, TIPURI, AVANTAJE ȘI DEZAVANTAJE - BIOLOGIE - 2025

Bioremedierea este un set de biotehnologii sanitație folosind capacități metabolice ale microorganismelor bacteriene, fungi, plante și / sau enzime izolate, pentru a îndepărta impuritățile din sol și apă.

Microorganismele (bacteriile și ciupercile) și unele plante pot biotransforma o mare varietate de compuși organici poluanți și toxici, până când acestea sunt inofensive sau inofensive. Ei pot biodegrada chiar unii compuși organici la formele lor cele mai simple, cum ar fi metan (CH ₄ ) și dioxid de carbon (CO ₂ ).

Figura 1. Contaminarea mediului prin vărsare de ulei, tratată ulterior cu bioremediere Sursa: commons.wikimedia.org

Unele microorganisme și plante pot extrage sau imobiliza elemente chimice toxice, cum ar fi metale grele, în mediu (in situ). Prin imobilizarea substanței toxice în mediu, aceasta nu mai este disponibilă organismelor vii și, prin urmare, nu le afectează.

Prin urmare, reducerea 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 din ce în ce mai mare pentru dezvoltarea tehnologiilor cu impact ecologic și de mediu scăzut (sau „ecologic”), cum ar fi bioremedierea apelor de suprafață și subterane, nămolurilor și solurilor contaminate.

Caracteristicile bioremedierii

Contaminanți care pot fi bioremediați

Printre poluanții care au fost bioremediați, sunt metale grele, substanțe radioactive, poluanți organici toxici, substanțe explozive, compuși organici derivați din ulei (hidrocarburi poliaromatice sau HPA), fenoli, printre altele.

Condiții fizico-chimice în timpul bioremedierii

Deoarece procesele de bioremediație depind de activitatea microorganismelor și a plantelor vii sau a enzimelor izolate ale acestora, trebuie menținute condițiile fizico-chimice adecvate pentru fiecare organism sau sistem enzimatic, pentru a optimiza activitatea metabolică a acestora în procesul de bioremediație.

Factori care trebuie optimizați și menținuți pe tot parcursul procesului de bioremediere

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

-Humiditatea: disponibilitatea apei este esențială pentru organismele vii, precum și pentru activitatea enzimatică a catalizatorilor biologici fără celule. În general, trebuie să se mențină umiditatea relativă de la 12 până la 25% în solurile supuse bioremedierii.

-Temperatura: trebuie să fie în intervalul care permite supraviețuirea organismelor aplicate și / sau a activității enzimatice necesare.

-N nutrienții biodisponibili: esențiali pentru creșterea și înmulțirea microorganismelor de interes. În principal, carbonul, fosforul și azotul trebuie controlate, precum și unele minerale esențiale.

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

-Disponibilitatea oxigenului: în majoritatea tehnicilor de bioremediere, se folosesc microorganisme aerobe (de exemplu în compostare, biopile și „depozitarea gropilor de gunoi”), iar aerarea substratului este necesară. Cu toate acestea, microorganismele anaerobe pot fi utilizate în procesele de bioremediere, în condiții foarte controlate în laborator (folosind bioreactorii).

Tipuri de bioremediere

Printre biotehnologiile aplicate de bioremediere sunt următoarele:

biostimulare

Biostimularea constă în stimularea in situ a acelor microorganisme prezente deja în mediul înconjurător care a fost contaminat (microorganisme autohtone), capabile să bioremedieze substanța contaminantă.

Biostimularea in situ se realizează prin optimizarea condițiilor fizico-chimice pentru a se produce procesul dorit, adică; pH, oxigen, umiditate, temperatură, printre altele, și adăugarea de nutrienți necesari.

Bioaugmentation

Bioaugmentarea implică creșterea cantității de microorganisme de interes (de preferință autohtone), datorită adăugării inoculelor lor cultivate în laborator.

Ulterior, după ce microorganismele de interes au fost inoculate in situ, condițiile fizico-chimice trebuie optimizate (cum ar fi în biostimulare), pentru a promova activitatea degradantă a microorganismelor.

Pentru aplicarea biioaugmentării, trebuie luate în considerare costurile culturii microbiene în bioreactorii din laborator.

Atât biostimularea, cât și biodispoziția pot fi combinate cu toate celelalte biotehnologii descrise mai jos.

Compostul

Compusul constă în amestecarea materialului contaminat cu solul necontaminat suplimentat cu agenți de creștere a plantelor sau a animalelor și a substanțelor nutritive. Acest amestec formează conuri de până la 3 m înălțime, distanțate între ele.

Oxigenarea straturilor inferioare ale conurilor trebuie controlată, prin îndepărtarea lor regulată dintr-un loc în altul cu utilaje. Trebuie menținute, de asemenea, condiții optime de umiditate, temperatură, pH, nutrienți.

Biopiles

Tehnica de bioremediere cu biopile este aceeași cu tehnica de compost descrisă mai sus, cu excepția:

• Lipsa agenților de reproducție de origine vegetală sau animală.
• Eliminarea aerarii prin mișcare de la un site la altul.

Biopile rămân fixate în același loc, fiind aerisite în straturile lor interne printr-un sistem de conducte, ale cărui costuri de instalare, operare și întreținere trebuie luate în considerare încă din faza de proiectare a sistemului.

Landfarming

Biotehnologia numită „depozitarea terenului” (tradusă din engleză: tilling the land), constă în amestecarea materialului contaminat (noroi sau sediment) cu primii 30 cm de sol necontaminat dintr-o suprafață mare.

În acei primi centimetri de sol, degradarea substanțelor poluante este favorizată datorită aerarii și amestecării sale. Mașinile agricole sunt utilizate pentru aceste sarcini, cum ar fi tractoarele cu pluguri.

Principalul dezavantaj al amenajării terenurilor este că necesită în mod necesar suprafețe mari de teren, care ar putea fi utilizate pentru producția de alimente.

fitoremedierea

Fitoremedierea, numită și microorganism și bioremediere asistată de plante, este un set de biotehnologii bazate pe utilizarea plantelor și microorganismelor pentru a elimina, limita sau reduce toxicitatea substanțelor poluante din apele de suprafață sau subterane, nămolurile și solurile.

În timpul fitoremedierii, se poate produce degradarea, extracția și / sau stabilizarea (scăderea biodisponibilității) contaminantului. Aceste procese depind de interacțiunile dintre plante și microorganisme care trăiesc foarte aproape de rădăcinile lor, într-o zonă numită rizosfera.

Figura 2. Bioremedierea apei contaminate cu plante și microorganisme. Sursa: Wikyhelper, de la Wikimedia Commons

Fitoremedierea a avut un succes deosebit în eliminarea metalelor grele și a substanțelor radioactive din soluri și ape de suprafață sau subterane (sau rizofiltrarea apei contaminate).

În acest caz, plantele acumulează metalele din mediu în țesuturile lor și apoi sunt recoltate și incinerate în condiții controlate, astfel încât poluantul trece de la a fi dispersat în mediu, la a fi concentrat sub formă de cenușă.

Cenușa obținută poate fi tratată pentru recuperarea metalului (dacă este de interes economic) sau poate fi abandonată în locuri de eliminare finală a deșeurilor.

Un dezavantaj al fitoremedierii este lipsa cunoașterii în profunzime a interacțiunilor care apar între organismele implicate (plante, bacterii și, eventual, ciuperci micorizante).

Pe de altă parte, trebuie menținute condițiile de mediu care să satisfacă nevoile tuturor organismelor aplicate.

Bioreactoare

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

Microorganismele și ciupercile bacteriene pot fi cultivate pe scară largă în laborator în bioreactorii și apoi aplicate în procese de biodispoziție in situ. Microorganismele pot fi, de asemenea, cultivate în interesul obținerii enzimelor degradante ale poluanților.

Bioreactorii sunt folosiți în procesele de bioremediere ex situ, prin amestecarea substratului contaminat cu mediul de cultură microbiană, favorizând degradarea contaminantului.

Microorganismele cultivate în bioreactori pot fi chiar anaerobe, în acest caz, mediul apos de cultură trebuie să fie lipsit de oxigen dizolvat.

Figura 3. Bioreactor. Sursa: es.m.wikipedia.org

Printre biotehnologiile cu bioremediere, utilizarea bioreactorilor este relativ scumpă, datorită întreținerii echipamentelor și cerințelor pentru cultura microbiană.

Microremediation

Utilizarea microorganismelor fungice (ciuperci microscopice) în procesele de bioremediere a unui poluant toxic se numește micoremediere.

Trebuie considerat că cultivarea ciupercilor microscopice este de obicei mai complexă decât cea a bacteriilor și implică, prin urmare, costuri mai mari. Mai mult, ciupercile cresc și se reproduc mai lent decât bacteriile, bioremedierea asistată de ciuperci fiind un proces mai lent.

Bioremediere față de tehnologiile chimice și fizice convenționale

-Avantaj

Biotehnologiile de bioremediere sunt mult mai economice și ecologice decât tehnologiile de salubrizare aplicate în mod convențional chimice și fizice.

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

Pe de altă parte, printre microorganismele aplicate în procesele de bioremediere, unii pot chiar mineraliza compușii poluatori, asigurând dispariția lor din mediu, ceva dificil de realizat într-o singură etapă cu procese fizico-chimice convenționale.

-Dezavantaje și aspecte de luat în considerare

Capacități metabolice microbiene existente în natură

Având în vedere că 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.

Lipsa de cunoștințe despre sistemul aplicat

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

Unele microorganisme studiate au compuși poluanți biotransformați în subproduse și mai toxice. Din acest motiv, este necesar să studiați anterior organismele de bioremediere și interacțiunile lor în profunzime în laborator.

În plus, testele pilot la scară mică (pe teren) trebuie efectuate înainte de aplicarea lor în masă, iar în final procesele de bioremediere trebuie monitorizate in situ, pentru a garanta că salubrizarea 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 de teren.

Particularități ale fiecărui proces de bioremediere

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

Este apoi necesar ca aceste procese să fie direcționate de grupuri interdisciplinare de specialiști, printre care trebuie să fie biologi, chimiști, ingineri, printre altele.

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

Timp cerut

În cele din urmă, procesele de bioremediere pot dura mai mult decât procesele fizico-chimice convenționale.

Referințe

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremedierea solurilor contaminate cu ulei uzat folosind gunoaie de pasăre. Journal of Research in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediere, biostimulare și biodispoziție: o revizuire". Jurnalul internațional de Bioremediere și Biodegredare a Mediului. 3 (1): 28–39.
3. Boopatia, R. (2000). „Factorii care limitează tehnologiile de bioremediere”. Tehnologia Bioresource. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY și Schoeder, D. (1999). Principiile biorecovery-ului. McGraw-Hill Interamericana din Spania, Madrid. p. 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA și Brock, T. (2015). Biologia brută a microorganismelor. 14 ed. Benjamin Cummings. pp. 1041.
6. McKinney, RE (2004). Microbiologie pentru controlul poluării mediului. M. Dekker. p. 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fitoremediere. Annu. Rev. Plant Biol. 56: 15-39.