ΜΙΚΡΟΒΙΑΚΗ ΒΙΟΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Γιώργος Ζερβάκης Επίκουρος Καθηγητής Εργαστήριο Γενικής και Γεωργικής Μικροβιολογίας, Γεωπονικό Πανεπιστήµιο Αθηνών
Το βασικό πρόβληµα: Παραγωγή επικίνδυνων χηµικών ενώσεων Τεράστιες ποσότητες οργανικών και ανόργανων ενώσεων παράγονται κάθε χρόνο ως αποτέλεσµα της ανθρώπινης δραστηριότητα Ηπαραγωγή αυτή µπορεί να οφείλεται σε: Προγραµµατισµένους και καλά ελεγχόµενους ρύπους (π.χ. βιοµηχανικές εκποµπές) Τυχαία καισε µεγάλο βαθµό αναπόφευκτα συµβάντα/ατυχήµατα ατυχήµατα (π.χ. πετρελαιοκηλίδες, διαρροή χηµικών)
Βιοαποκατάσταση ( Bioremediation ) Είναι η εφαρµογή βιολογικών διαδικασιών/µεθόδων επεξεργασίας υπογείων υδάτων, εδάφους ή ιλύος που έχουν επιβαρυνθεί από τοξικούς ρυπαντές Απαιτεί τον έλεγχο καιτη ρύθµιση/διαχείριση της µικροβιακής βιοµάζας και της ανάπτυξης της σε επιφανειακούς ή υπόγειους βιοαντιδραστήρες (φυσικούς ήτεχνητούς)
H σχετική τεχνολογία προάγει την ανάπτυξη και αναπαραγωγή αυτόχθονων (ή την εισαγωγή αλλόχθονων) µικροοργανισµών ώστε να επιτευχθεί ή/καινα επιταχυνθεί η αποδόµηση οργανικών ενώσεων στη ζώνη ρύπανσης Επιτυγχάνει την αποδόµηση οργανικών ρυπαντών που έχουν διαλυθεί σε υπόγεια ύδατα και έχουν προσροφηθεί στην περιοχή γύρω από τον υδροφόρο ορίζοντα Γενικώς απαιτεί την εξασφάλιση της ύπαρξης ενός µηχανισµού πουθα επάγει καιθα διατηρεί τη δραστηριότητα των µικροοργανισµών, όπως π.χ. την προσθήκη ενός δέκτη ηλεκτρονίων (οξυγόνο, νιτρικά), θρεπτικών ουσιών (άζωτο, φώσφορο) και µιας πηγής ενέργειας (άνθρακα)
Βιοαποκατάσταση ( Bioremediation ) Οι ρυπαντές µπορούν να βιοαποδοµηθούν in situ ήνα αποµακρυνθούν καινα υποστούν επεξεργασία αλλού Αρχή λειτουργίας: Αποµόνωση ή προώθηση µεταβολικής δραστηριότητας µικροοργανισµών που µπορούν να βιοαποδοµήσουν συγκεκριµένες κατηγορίες ρυπαντών ηµιουργία κατάλληλων περιβαλλοντικών συνθηκών, ώστεηεν εν λόγω βιοαποδόµηση να συµβεί αποδοτικά και οικονοµικά
Συστήµατα βιοαποδόµησης στη βιοαποκατάσταση ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Ανάπτυξη Φυσιολογία Γενετική προδιάθεση Μεταβολική ποικιλότητα Ενζυµολογία Μεταβολίτες ΡΥΠΑΝΤΕΣ Μεταφορά µάζας Βιοδιαθεσιµότητα Υδρόφοβοι ή µη υστροπία οµή Τοξικότητα ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ph Θερµοκρασία Υγρασία Οξυγόνο Θρεπτικά Τύπος εδάφους
Βιοαποδόµηση ( Biodegradation ) H αποδόµηση των οργανικών ενώσεων (ρυπαντών) πραγµατοποιείται από µικροοργανισµούς Ο σχεδιασµός της διαδικασίας βιοαποδόµησης εστιάζεται στη βελτιστοποίηση και στη διαχείριση συγκεκριµένων σταδίων των βιοχηµικών κύκλων. Ηβιοχηµική δραστηριότητα κατά την οποία επιτυγχάνεται διάσπαση των ρυπαντών απαιτεί την παρουσία καταλυτών. Οι µικροοργανισµοί παράγουν τους καταλύτες, δηλ. ένζυµα που επάγουν καταβολικές αντιδράσεις αποδόµησης ενώσεων και παρέχουν ενέργεια και προϊόντα βιοσύνθεσης επιπλέον µικροβιακών κυττάρων Πωςοι µικροοργανισµοί διασπούν τοξικές οργανικές ενώσεις? Με απευθείας ανοργανοποίηση της ένωσης µετη µετατροπή τηςσε ανόργανα µόρια όπως διοξείδιο του άνθρακα ή µεταλλικά άλατα Με παραγωγή ενζύµων που διασπούν την τοξική ένωση σε άλλη απλούστερη καιµη τοξική Μετη µετατροπή της αρχικής ένωση σε άλλη πιθανά ανάλογα τοξικής καιµη επιδεκτικής περαιτέρω βιοαποδόµησης
Βιοαποδόµηση ph Redox Θερµοκρασία Σχ.Υγρασία Θρεπτικά [Περιβάλλον] Βιοαποικοδόµηση Ιδιότητες και δοµή χηµικής ένωσης Μικροοργανισµοί «Τρίγωνο βιοαποδόµησης»
Προϋποθέσεις για εφαρµογές βιοαποκατάστασης Μικροοργανισµοί Πηγή ενέργειας έκτης ηλεκτρονίων Υγρασία ph Θρεπτικά στοιχεία Θερµοκρασία Απουσία τοξικότητας Αποµάκρυνση µεταβολιτών Απουσία Ανταγωνιστικών Μικροοργανισµών Βιοαποκατάσταση
Στη βιοαποκατάσταση, οπρωταγωνιστικός ρόλος ανήκει στους µικροοργανισµούς http://www.cleanearthltd.com/en/contamination_cleanup/index.php
Οι µικροοργανισµοί αποτελούν τους παράγοντες- κλειδιά γιατη βιοαποκατάσταση Αποδοµούν οργανικούς ρυπαντές χρησιµοποιώντας τους για την ανάπτυξη και τον πολλαπλασιασµό τους Οι οργανικοί ρυπαντές αποτελούν πηγές: άνθρακα, δοµικών συστατικών των κυττάρων, ηλεκτρονίων και ενέργειας
Μικροβιακός µεταβολισµός Απαιτεί άζωτο, φώσφορο, θείο και ιχνοστοιχεία επιπλέον του άνθρακα Η συγκέντρωση άνθρακα αποτελεί συνήθως τον περιοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη µικροοργανισµών στα περισσότερα φυσικά οικοσυστήµατα Ηπερίοδος εγκλιµατισµού (ή στάδιο προσαρµογής ήφάση υστέρησης) είναι η περίοδος εκείνη κατά την οποία δεν παρατηρείται αποικοδόµηση της χηµικής ένωσης Ηδιάρκεια της περιόδου αυτής ποικίλει από 1 ώρα έως πολλούς µήνες Η προσαρµογή ενός µικροβιακού πληθυσµού στην ανάπτυξη σεένα συγκεκριµένο υπόστρωµα (δηλ. στην αποικοδόµηση µιας οργανικής ένωσης) συνήθως συνεπάγεται καιτη δυνατότητα αποικοδόµησης άλλων συγγενών ενώσεων
Αερόβιος: Οι µετατροπές λαµβάνουν χώρα παρουσία µοριακού οξυγόνου (λειτουργεί ως δέκτης ηλεκτρονίων) στα πλαίσια της αερόβιας αναπνοής Αναερόβιος: Οι µετατροπές λαµβάνουν χώρα απουσία οξυγόνου και διακρίνονται σε Ζύµωση, όπου οι οργανικές ενώσεις λειτουργούν ως δέκτες καιως δότες ηλεκτρονίων Ζύµωση µεθανίου, όπου συµβαίνουν διαδοχικές βιοχηµικές µετατροπές των οργανικών ενώσεων σε CH 4 και CO 2 Αναερόβια αναπνοή, που πραγµατοποιείται µε άλλους δέκτες ηλεκτρονίων (πλην του οξυγόνου), όπως νιτρικά (απονιτροποιητές και αναγωγικοί νιτρικών µικροοργανισµοί), ή θειικά (αναγωγικοί θειικών µικροοργανισµοί), ή CO 2 από µεθανογόνους µικροοργανισµούς, ή χλωριωµένες οργανικές ενώσεις
Κύριες µεταβολικές αντιδράσεις µικροοργανισµών
Κατάλυση αντιδράσεων µε συµµετοχή µικροοργανισµών Αναγωγική αποχλωρίωση Αφυδρογόνωση Αφυδροαλογόνωση
Περιορισµοί στη βιοαποδόµηση Επαρκείς συγκεντρώσεις µικροβιακών πληθυσµών (µολονότι, οι µικροβιακοί πληθυσµοί γενικώς αυξάνουν όταν υπάρχουν τα κατάλληλα υποστρώµατα ανάπτυξης) έκτες ηλεκτρονίων Θρεπτικές ουσίες (π.χ. άζωτο και φώσφορος) Μη τοξικές συνθήκες Πηγή άνθρακα
Περιβαλλοντικές συνθήκες που ευνοούν τη βιοαποκατάσταση µε χρήση µικροοργανισµών
Ρυπαντές που µπορούν να αντιµετωπιστούν στα πλαίσια µεθοδολογιών βιοαποκατάστασης
! Σχετική βιοαποικοδοµησιµότητα
Τύποι βιοαποκατάστασης in situ ex situ φυτοαποκατάσταση
In Situ βιοαποκατάσταση In situ βιοαποκατάσταση ορίζεται ωςο καθαρισµός εξυγίανση της ρύπανσης ακριβώς στη θέση/περιοχή που αυτή έγινε Γενικά είναιηπιο αποδοτική και φθηνή στο κόστος µορφή βιοαποκατάστασης ιακρίνεται σε εγγενή βιοαποκατάσταση και επιταχυνόµενη βιοαποκατάσταση
Εγγενής ( intrinsic ) βιοαποκατάσταση (φυσική εξασθένηση, natural attenuation ) Ηενδογενής βιοαποκατάσταση κάνει χρήση αυτόχθονων µικροοργανισµών γιατη βιοαποικοδόµηση των ρυπαντών. εν υπάρχει ανθρώπινη παρέµβαση στη διαδικασία (ή είναι ήπια συνήθως περιορίζεται στην επιτήρηση παρακολούθηση της), το κόστος της είναι εξαιρετικά περιορισµένο και χρησιµοποιείται ευρέως Στηρίζεται στην παροχή οξυγόνου, θρεπτικών ουσιών και άλλων απαραίτητων παραγόντων, ώστε να διαµορφωθεί από τους µικροοργανισµούς µια βιολογικά ενεργή ζώνη, ηοποία θα αποτρέψει την µετανάστευση των ρυπαντών µακριά απότη πηγή ρύπανσης
Επιταχυνόµενη ( Accelerated ) βιοαποκατάσταση Στην επιταχυνόµενη βιοαποκατάσταση, οξυγόνο και υποστρώµατα ή θρεπτικές ουσίες παρέχονται µέσω της κυκλοφορίας υδατικών διαλυµάτων στα επιβαρυµένα µε ρυπαντές εδάφη ώστε να διευκολυνθεί επιταχυνθεί η βιοαποικοδόµηση των ρυπαντών από τους αυτόχθονες µικροοργανισµούς Ορισµένες φορές επιλέγεται και η πρακτική της προσθήκης αποδοτικών αλλόχθονων µικροοργανισµών γιανα µεγιστοποιηθούν τα επιδιωκόµενα αποτελέσµατα (βιοαύξηση- βιοενίσχυση, bioaugmentation )
Το κύριο πλεονέκτηµα της in situ βιοαποκατάστασης είναι η ελαχιστοποίηση της όχλησης στην επιβαρυµένη θέση-περιοχή περιοχή, στοιχείο που είναι πολύ σηµαντικό ότανη ρύπανση έχει διεισδύσει κάτω από µόνιµες κατασκευές Οµεγαλύτερος περιορισµός εφαρµογής της είναι η αδυναµία αποδοτικής αντιµετώπισης επιµολύνσεων από µέταλλα που έχουν αναµιχθεί µετις οργανικές ενώσεις Οβασικός στόχος της διαδικασίας είναι η επιτυχής διαχείριση του υπεδάφιου περιβάλλοντος ώστε να βελτιστοποιηθεί η µικροβιακή βιοαποικοδόµηση
In Situ επιταχυνόµενη βιοαποκατάσταση
ιευκρίνιση: Ακόρεστη ζώνη του εδάφους (vadose zone)
Χειρισµοί στο έδαφος: In Situ βιοαποκατάσταση Ο βιοαερισµός ( bioventing ) αποτελεί την πιο κοινά εφαρµοζόµενη in situ διαδικασία που συνίσταται στη διοχέτευση αέρα και θρεπτικών στοιχειών διαµέσου υπεδάφιων κατακόρυφων σωληνώσεων στο επιβαρυµένο έδαφος (ακόρεστη ζώνη) ώστε να προωθηθεί-ενισχυθεί ενισχυθεί η δράση αυτόχθονων µικροοργανισµών (κυρίως βακτηρίων). Οι ρυπαντές είναι παγιδευµένοι στην ακόρεστη ζώνη πάνω από τον υδροφόρο ορίζοντα καιοπιο απλός τρόπος παροχέτευση αέρα είναι µε αναρρόφηση του αέρα που υπάρχει στο υπέδαφος Για αυτό τον σκοπό χρησιµοποιούνται αντλίες κενού που δηµιουργούν αρνητική πίεση, ηοποία τραβάει αέρα απότο υπέδαφος διαµέσου του επιβαρυµένου µε ρυπαντές τµήµατος. Όµως απαιτείται προσοχή ώστε αυτή η διέλευση του αέρα ναµην αφαιρέσει το απαραίτητο ποσοστό υγρασίας γιατη συνέχιση της µικροβιακής δραστηριότητας
In Situ βιοαποκατάσταση Βιοαερισµός ( Bioventing )
In Situ βιοαποκατάσταση Βιοαερισµός ( Bioventing )
Ηµέθοδος της βιοεµφύσησης «biosparging» αφορά στη διοχέτευση αέρα υπό πίεση κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα ώστε να αυξηθούν οι συγκεντρώσεις οξυγόνου στο υπέδαφος µε στόχο την αύξηση του ρυθµού βιολογικής αποικοδόµησης ρυπαντών από αυτόχθονες µικροοργανισµούς (κυρίως βακτήρια). Μετη διαδικασία αυτή αυξάνεται η επιφάνεια επαφής εδάφους και υπόγειων υδάτων και βελτιώνεται η φυσική βιοαποδόµηση. Αρχικά είχε αναπτυχθεί στην Ευρώπη, αλλά αργότερα εξελίχθηκε στις ΗΠΑ για εφαρµογές αυστηρά αερόβιας βιοαποδόµησης Μετην εφαρµογή της, πτητικοί ρυπαντές αποµακρύνονται από ζώνες κορεσµού του υπεδάφους και οδηγούνται σεµη κεκορεσµένες ζώνες καισε ειδικά συστήµατα παγίδευσης αερίων Ηεν λόγω µέθοδος δεν είναι αποτελεσµατική όταν υπάρχουν µη περατά γεωλογικά στρώµατα στο υπέδαφος τα οποία ή εγκλωβίζουν είτε εκτρέπουν τον παρεχόµενο αέρα
In Situ βιοαποκατάσταση ιοχέτευση αέρα ( Air sparging )
Ex Situ Βιοαποκατάσταση Πρόκειται για µεταφορά-αποµάκρυνση αποµάκρυνσητης επιβαρυµένης από ρυπαντές επιφάνειας (γης-εδάφους) απότη θέση ρύπανσης, γιανα καθαριστεί-εξυγιανθεί εξυγιανθεί από µικροοργανισµούς. Εφαρµόζεται µόνο όταν η ευρύτερη περιοχή απειλείται από κάποια σοβαρή αιτία (π.χ. ατύχηµα που έχει σηµαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις) και για µικρές σε έκταση θέσεις µε πολύ σηµαντική επιβάρυνση. Η διαδικασία κοστίζει πολύ, είναι επικίνδυνη για τους εργαζόµενους και προκαλεί αρνητικές επιπτώσεις στην περιοχή επειδή αποµακρύνεται τµήµα του εδάφους από την επιβαρυµένη περιοχή
Ex Situ βιοαποκατάσταση Η καλλιέργεια της γης ( Landfarming ) αποτελεί µια σχετικά απλή διαδικασία κατά την οποία επιβαρυµένο µε ρυπαντές έδαφος ανασκάπτεται, µεταφέρεται και απλώνεται σεµια ειδικά προετοιµασµένη κλίνη, όπου αναµιγνύεται µετο επιφανειακό έδαφος, προστίθεται νερό και θρεπτικές ουσίες και περιοδικά κατεργάζεται µηχανικά (φρεζάρεται) µέχρι να αποδοµηθούν οι ρυπαντές
Ex Situ βιοαποκατάσταση Η κοµποστοποίηση ( Composting ) είναι µια ελεγχόµενη αερόβια µικροβιακή διαδικασία η οποία συνίσταται στην ανάµιξη επιβαρυµένου υποστρώµατος (π.χ. εδάφους) µε γεωργικά υπολείµµατα ήαγρο- βιοµηχανικά παραπροϊόντα κλπ. Ηπαρουσία τέτοιων οργανικών υλικών υποστηρίζει την ανάπτυξη µικροβιακών πληθυσµών και αυξηµένων θερµοκρασιών κατά τη διάρκεια µιας ζύµωσης στερεάς φάσης ( solid-state state fermentation ) κατά τη διάρκεια της οποίας αποδοµούνται οι ρυπαντές και εξυγιαίνεται το επιβαρυµένο υπόστρωµα
Βιοαντιδραστήρες ( Bioreactors ) είναι αντιδραστήρες- ζυµωτήρες ιλύος ή υγρών που χρησιµοποιούνται για την ex situ επεξεργασία επιβαρυµένου εδάφους ή υδάτων που έχουν αντληθεί απότη θέση της ρύπανσης Η βιοαποκατάσταση σε αντιδραστήρες αφορά στην επεξεργασία επιβαρυµένων µε ρυπαντές στερεών (εδάφους, ιζήµατος, ιλύος) ήυδάτων µέσω ενός ειδικά σχεδιασµένου συστήµατος περιορισµού των αποβλήτων
οµή συστήµατος ενεργών σειραδίων biopiles
Φυτοαποκατάσταση ( Phytoremediation ) Αφορά στη χρήση φυτών για τον καθαρισµό εξυγίανση θέσεων που έχουν επιβαρυνθεί µε ρυπαντές Τα φυτά (σε συνέργεια µε µικροοργανισµούς εδάφους) αποικοδοµούν-διασπούν διασπούντοξικές οργανικές ενώσεις ή δεσµεύουν βαρέα µέταλλα
Σύνοψη στρατηγικών βιοαποκατάστασης
Πλεονεκτήµατα βιοαποκατάστασης Πρόκειται για φυσική διαδικασία, ηοποία είναι αντιληπτή απότο κοινό ωςµια αποδεκτή µέθοδος διαχείρισης αποβλήτων ήρύπανσης Πολλές ενώσεις που θεωρούνται επικίνδυνοι ρύποι µπορούν να βιοµετατραπούν σε αβλαβή τελικά προϊόντα Αντί να µεταφέρονται ρυπαντές από ένα περιβάλλον σε άλλο, είναι δυνατή ηπλήρης διάσπαση των ρυπαντών στην επιβαρυµένη θέση/περιοχή
Πλεονεκτήµατα βιοαποκατάστασης Μπορεί να πραγµατοποιηθεί in situ, χωρίς να προκαλέσει µεγάλη όχληση παρεµπόδιση στις συνήθεις δραστηριότητες της περιοχής µε το πρόβληµα ρύπανσης Είναι πιο οικονοµική
Μειονεκτήµατα βιοαποκατάστασης Περιορίζεται σε ενώσεις (ρύπους) που είναι βιοαποδοµήσιµες Υπάρχουν επιφυλάξεις σχετικά µετο τοεάν (κατά περίπτωση) τα προϊόντα της βιοαποδόµησης µπορεί να είναι πιο επίµονα ήτοξικά από την αρχική ένωση Είναι δύσκολο να γίνει εκτίµηση των επιπτώσεων ή ζητηµάτων που µπορεί να προκύψουν από την αύξηση κλίµακας της διαδικασίας από εργαστηριακό ήπιλοτικό επίπεδο σε µεγάλες εφαρµογές πεδίου
Μειονεκτήµατα της βιοαποκατάστασης ιαρκεί χρονικά περισσότερο από άλλες διαδικασίες απορρύπανσης Οι βιολογικές διαδικασίες είναι συχνά αυστηρά εξειδικευµένες. Σηµαντικοί παράγοντες επιτυχίας περιλαµβάνουν την παρουσία µεταβολικά ικανών µικροβιακών πληθυσµών, κατάλληλες περιβαλλοντικές συνθήκες καιτα απαραίτητα επίπεδα θρεπτικών ουσιών και ρυπαντών (γενικά υποστρωµάτων)