Biyoremediasyon - Bioremediation
| Bir kısmı serisi üzerinde |
| Kirlilik |
|---|
 |
Biyoremediasyon , mikroorganizmaların büyümesini teşvik etmek ve hedef kirleticileri azaltmak için çevresel koşulları değiştirerek su, toprak ve yüzey altı materyali de dahil olmak üzere kirlenmiş ortamları arıtmak için kullanılan bir işlemdir . Biyoremediasyonun yaygın olarak görüldüğü durumlar, petrol sızıntıları, asitli maden drenajı ile kirlenmiş topraklar, yeraltı boru sızıntıları ve olay yeri temizliğidir. Bu toksik bileşikler, mikroorganizmalarda bulunan enzimler tarafından metabolize edilir. Çoğu biyoremediasyon prosesi, indirgenmiş kirleticilerin (örneğin hidrokarbonlar) oksidasyonunu uyarmak için bir elektron alıcısının (genellikle oksijen) veya oksitlenmiş kirleticileri (nitrat, perklorat) azaltmak için bir elektron donörünün (genellikle bir organik substrat) eklendiği oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarını içerir. , oksitlenmiş metaller, klorlu çözücüler, patlayıcılar ve itici gazlar). Biyoremediasyon, sanayileşme ve tarımsal süreçler gibi antropojenik faaliyetlerden kaynaklanan yan ürünlerin etkisini azaltmak için kullanılır. Çoğu durumda, biyoremediasyon, diğer iyileştirme alternatiflerinden daha ucuz ve daha sürdürülebilirdir . Diğer iyileştirme teknikleri arasında termal desorpsiyon , vitrifikasyon , hava sıyırma , biyoliç , rizofiltrasyon ve toprak yıkama yer alır. Biyolojik arıtma, biyoremediasyon, atık su, endüstriyel atık ve katı atık dahil olmak üzere atıkların arıtılmasında kullanılan benzer bir yaklaşımdır. Biyoremediasyonun nihai hedefi, toprak ve su kalitesini iyileştirmek için zararlı bileşikleri ortadan kaldırmak veya azaltmaktır.
Kirletici maddeler uzaklaştırıldı ve vardır değişen biyolojik iyileştirme teknikleri ile azaltılabilir in-situ veya ex-situ . Biyoremediasyon teknikleri, tedavi yerine göre sınıflandırılır. Yerinde teknikler, kirli alanları tahribatsız ve uygun maliyetli bir şekilde tedavi eder. Oysa ex-situ teknikleri genellikle kontamine alanın kazılmasını gerektirir ve bu da maliyetleri artırır. Bu yaklaşımların her ikisinde de mikroorganizmalar için koşulları optimize etmek için ek besinler, vitaminler, mineraller ve pH tamponları eklenebilir. Bazı durumlarda, biyolojik bozunmayı daha da artırmak için özel mikrobiyal kültürler eklenir ( biyostimülasyon ) . Biyoremidasyon ilgili teknolojilerin bazı örnekler şunlardır Fitoremediasyon , bioventing , bioattenuation, biosparging , kompost (biopiles ve Kümeleri) ve alan işleme .
Kimya
Çoğu biyoremediasyon süreci, bir kimyasal türün elektronu ( elektron donörü ) elektronu kabul eden farklı bir türe ( elektron alıcısı ) bağışladığı oksidasyon-redüksiyon ( redoks ) reaksiyonlarını içerir . Bu işlem sırasında elektron vericisi oksitlenirken elektron alıcısı indirgenir. Biyoremediasyon işlemlerinde yaygın elektron alıcıları arasında oksijen , nitrat , manganez (III ve IV), demir (III), sülfat , karbon dioksit ve bazı kirleticiler (klorlu çözücüler, patlayıcılar, oksitlenmiş metaller ve radyonüklidler) bulunur. Elektron donörleri arasında şekerler, yağlar, alkoller, doğal organik maddeler, yakıt hidrokarbonları ve çeşitli azaltılmış organik kirleticiler bulunur. Redoks potansiyeli, ortak biyo-dönüştürme reaksiyonları için tabloda gösterilmiştir.
| İşlem | Reaksiyon | Redoks potansiyeli (E saat içinde mV ) |
|---|---|---|
| aerobik | O 2 + 4e − + 4H + → 2H 2 O | 600 ~ 400 |
| anaerobik | ||
| denitrifikasyon | 2NA 3 − + 10e − + 12H + → N 2 + 6H 2 O | 500 ~ 200 |
| manganez IV indirgeme | MnO 2 + 2e − + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O | 400 ~ 200 |
| demir III azaltma | Fe(OH) 3 + e − + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O | 300 ~ 100 |
| sülfat indirgemesi | SO 4 2− + 8e − +10 H + → H 2 S + 4H 2 O | 0 ~ -150 |
| fermantasyon | 2CH 2 O → CO 2 + CH 4 | −150 ~ −220 |
yerinde teknikler
Biyolojik havalandırma
Bioventing, toprağın doymamış bölgesine oksijen veya hava akışını artıran bir süreçtir, bu da hedeflenen hidrokarbon kirleticinin doğal yerinde bozulma oranını artırır . Aerobik bir biyoremediasyon olan bioventing, oksijenin petrolün , poliaromatik hidrokarbonların (PAH'ler), fenollerin ve diğer azaltılmış kirleticilerin oksidasyonu için elektron alıcısı olarak sağlandığı oksidatif biyoremediasyon işleminin en yaygın şeklidir . Oksijen genellikle daha yüksek enerji verimi ve bazı enzim sistemlerinin bozunma sürecini başlatması için oksijene ihtiyaç duyması nedeniyle tercih edilen elektron alıcısıdır. Mikroorganizmalar, benzin, gazyağı, dizel ve jet yakıtı bileşenleri de dahil olmak üzere çok çeşitli hidrokarbonları bozabilir. İdeal aerobik koşullar altında, düşük ila orta ağırlıklı alifatik , alisiklik ve aromatik bileşiklerin biyolojik bozunma oranları çok yüksek olabilir. Bileşiğin moleküler ağırlığı arttıkça, aynı anda biyolojik bozunmaya karşı direnç de artar. Bu, yüksek moleküler ağırlıkları ve çevreden uzaklaştırılmasının artan zorluğu nedeniyle daha yüksek kontamine uçucu bileşiklerle sonuçlanır.
Çoğu biyoremediasyon prosesi, indirgenmiş kirleticilerin (örneğin hidrokarbonlar) oksidasyonunu uyarmak için bir elektron alıcısının (genellikle oksijen) veya oksitlenmiş kirleticileri (nitrat, perklorat) azaltmak için bir elektron donörünün (genellikle bir organik substrat) eklendiği oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarını içerir. , oksitlenmiş metaller, klorlu çözücüler, patlayıcılar ve itici gazlar). Bu yaklaşımların her ikisinde de mikroorganizmalar için koşulları optimize etmek için ek besinler, vitaminler, mineraller ve pH tamponları eklenebilir. Bazı durumlarda, biyolojik bozunmayı daha da artırmak için özel mikrobiyal kültürler eklenir ( biyobüyütme ).
Su tablasının altına oksijen ilavesi için yaklaşımlar, arıtma bölgesi boyunca devridaim eden havalandırılmış suyu, saf oksijen veya peroksitlerin eklenmesini ve hava serpmeyi içerir . Devridaim sistemleri tipik olarak enjeksiyon kuyuları veya galerileri ile çıkarılan yeraltı suyunun arıtıldığı, oksijenlendiği, besinlerle değiştirildiği ve yeniden enjekte edildiği bir veya daha fazla geri kazanım kuyusunun bir kombinasyonundan oluşur. Bununla birlikte, bu yöntemle sağlanabilecek oksijen miktarı, oksijenin sudaki düşük çözünürlüğü (tipik sıcaklıklarda hava ile dengede su için 8 ila 10 mg/L) ile sınırlıdır. Suyun saf oksijenle temas ettirilmesi veya suya hidrojen peroksit (H 2 O 2 ) eklenmesiyle daha fazla oksijen sağlanabilir . Bazı durumlarda, katı kalsiyum veya magnezyum peroksit bulamaçları, toprak sondajlarından basınç altında enjekte edilir. Bu katı peroksitler su H serbest ile reaksiyona 2 O 2 , oksijeni serbest parçalanır. Hava püskürtme, su tablasının altındaki basınç altında havanın enjeksiyonunu içerir. Hava enjeksiyon basıncı, suyun hidrostatik basıncını ve topraktan geçen hava akışına karşı direnci yenecek kadar büyük olmalıdır.
biyostimülasyon
Biyoremediasyon, çevrede doğal olarak bulunan veya besin ekleyen bakteriler tarafından gerçekleştirilebilir, bu işleme biyostimülasyon denir.
Mikrobiya olarak da bilinen bakteriler, çevrede doğal olarak oluşur ve hidrokarbonları parçalamak için kullanılır. Birçok biyolojik süreç pH'a duyarlıdır ve nötre yakın koşullarda en verimli şekilde çalışır. Düşük pH, pH homeostazisine müdahale edebilir veya toksik metallerin çözünürlüğünü artırabilir. Mikroorganizmalar, homeostazı korumak için hücresel enerjiyi harcayabilir veya pH'daki harici değişikliklere yanıt olarak sitoplazmik koşullar değişebilir. Anaeroblar, karbon ve elektron akışındaki, hücresel morfolojideki, membran yapısındaki ve protein sentezindeki değişiklikler yoluyla düşük pH koşullarına uyum sağlamıştır.
Mikropları kullanan biyoremediasyon, bir mikrobiyal konsorsiyumun kullanılmasıyla çalışır . Bu bağlamda, bir mikrobiyal konsorsiyum, etraflarındaki türlerin ikincil metabolitlerini kullanarak hayatta kalan, simbiyotik olarak ilişkili bir mikrop popülasyonudur. Tek bir mikrop türü genellikle karmaşık molekülleri tamamen parçalayamaz, ancak bir bileşiği kısmen parçalayabilir. Kısmen sindirilmiş molekülün başka bir kısmı, konsorsiyumdaki başka bir tür tarafından parçalanabilir; bu, çevresel kirletici zararsız yan ürünlere ayrılana kadar tekrar edilebilen bir modeldir.
Biyostimülasyon durumunda, ortamı biyoremediasyon için daha uygun hale getirmek için sınırlı besinlerin eklenmesi, tedavinin etkinliğini artırmak için sisteme azot, fosfor, oksijen ve karbon gibi besinler eklenebilir. Petrol kirliliğinin biyolojik olarak parçalanması için besinler gereklidir ve çevre üzerindeki olumsuz çıktıyı azaltmak için kullanılabilir. Denizlerdeki petrol sızıntılarına özel olarak nitrojen ve fosfor, biyolojik bozunmada temel besinler olmuştur.
Birçok biyolojik süreç pH'a duyarlıdır ve nötre yakın koşullarda en verimli şekilde çalışır. Düşük pH, pH homeostazisine müdahale edebilir veya toksik metallerin çözünürlüğünü artırabilir. Mikroorganizmalar, homeostazı korumak için hücresel enerjiyi harcayabilir veya pH'daki harici değişikliklere yanıt olarak sitoplazmik koşullar değişebilir. Bazı anaeroblar, karbon ve elektron akışındaki, hücresel morfolojideki, membran yapısındaki ve protein sentezindeki değişiklikler yoluyla düşük pH koşullarına uyum sağlamıştır.
Anaerobik biyoremediasyon, klorlu etilenler ( PCE , TCE , DCE , VC) , klorlu etanlar ( TCA , DCA ), klorometanlar ( CT , CF ), klorlu siklik hidrokarbonlar, çeşitli enerjiler (örn. perklorat , RDX , TNT ) ve nitrat . Bu proses, aşağıdakilere bir elektron donörünün eklenmesini içerir: 1) oksijen, nitrat, oksitlenmiş demir ve manganez ve sülfat dahil olmak üzere arka plan elektron alıcılarını tüketen; ve 2) oksitlenmiş kirleticilerin biyolojik ve/veya kimyasal indirgenmesini teşvik etmek. Altı değerlikli krom (Cr[VI]) ve uranyum (U[VI]), daha az hareketli ve/veya daha az toksik formlara indirgenebilir (örneğin, Cr[III], U[IV]). Benzer şekilde, sülfatın sülfüre indirgenmesi (sülfidojenez) belirli metalleri (örneğin çinko , kadmiyum ) çökeltmek için kullanılabilir . Substrat seçimi ve enjeksiyon yöntemi, akifer, hidrojeoloji ve iyileştirme hedeflerindeki kirletici türüne ve dağılımına bağlıdır. Yüzey, geleneksel kuyu kurulumları kullanılarak, doğrudan itme teknolojisi ile veya geçirgen reaktif bariyerler (PRB) veya biyolojik duvarlar gibi kazı ve dolgu ile eklenebilir. Yenilebilir yağlar veya katı alt tabakalardan oluşan yavaş salınan ürünler, uzun bir tedavi süresi boyunca yerinde kalma eğilimindedir. Yavaş salınan substratların çözünür substratları veya çözünür fermentasyon ürünleri, daha geniş fakat daha kısa ömürlü tedavi bölgeleri sağlayarak, adveksiyon ve difüzyon yoluyla potansiyel olarak göç edebilir. İlave edilen organik substratlar ilk olarak hidrojen (H fermente edilir 2 ) ve uçucu yağlı asitler (VFAs). Asetat, laktat, propiyonat ve butirat dahil olmak üzere VFA'lar, bakteri metabolizması için karbon ve enerji sağlar.
biyolojik zayıflama
Biyo-zayıflama sırasında, besinlerin veya bakterilerin eklenmesiyle biyobozunma doğal olarak gerçekleşir. Mevcut yerli mikroplar metabolik aktiviteyi belirleyecek ve doğal bir zayıflama görevi görecektir. Biyo-zayıflamada antropojenik bir müdahale olmamasına rağmen, kontamine alan yine de izlenmelidir.
biyoserpme
Biosparging, oksijen ve olası besinler enjekte edildiğinden yeraltı suyunu iyileştirme sürecidir. Oksijen enjekte edildiğinde, bozulma oranını artırmak için yerli bakteriler uyarılır. Bununla birlikte, biosparging, özellikle yeraltı suyu iyileştirme ile ilgili, doymuş kirlenmiş bölgelere odaklanır.
Ex situ teknikleri
Biyopiller
Biyo-havalandırmaya benzer şekilde biyopiller, aerobik hidrokarbonları kirlenmiş topraklara sokarak petrol kirleticilerini azaltmak için kullanılır. Ancak, toprak bir havalandırma sistemi ile kazılır ve istiflenir. Bu havalandırma sistemi, pozitif basınç altında oksijen vererek veya negatif basınç altında oksijeni uzaklaştırarak mikrobiyal aktiviteyi arttırır.
yığınlar
Sıralı sistemler, havalandırmayı iyileştirmek için toprağın periyodik olarak döndürüldüğü kompost tekniklerine benzer. Bu periyodik tornalama ayrıca toprakta bulunan kirleticilerin homojen bir şekilde dağılmasını sağlayarak biyoremediasyon sürecini hızlandırır.
arazi çiftçiliği
Arazi çiftçiliği veya arazi arıtma, çamur dökülmeleri için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem kirlenmiş toprağı dağıtır ve döngüsel olarak dönerek toprağı havalandırır. Bu işlem arazi üstü bir uygulamadır ve mikrobiyal aktivitenin uyarılması için kirlenmiş toprakların sığ olması gerekir. Bununla birlikte, kirlenme 5 feet'ten daha derinse, toprağın yerden yüksekte kazılması gerekir.
Ağır metaller
Ağır metaller, antropojenik faaliyetler veya doğal faktörler nedeniyle çevrede bulunur. Antropojenik faaliyetler endüstriyel emisyonları, elektronik atıkları ve cevher madenciliğini içerir. Doğal faktörler arasında mineral ayrışması, toprak erozyonu ve orman yangınları bulunur. Kadmiyum, krom, kurşun ve uranyum gibi ağır metaller organik bileşiklerden farklıdır ve biyolojik olarak parçalanamazlar. Bununla birlikte, biyoremediasyon süreçleri, bu malzemelerin yeraltındaki hareketliliğini azaltmak için potansiyel olarak kullanılabilir, bu da insan ve çevresel maruziyet potansiyelini azaltır. Bu faktörlerden kaynaklanan ağır metaller, deniz faunası ve florası tarafından alındığı yerdeki akış nedeniyle su kaynaklarında ağırlıklı olarak bulunur.
Krom (Cr) ve uranyum (U) gibi bazı metallerin hareketliliği, malzemenin oksidasyon durumuna bağlı olarak değişir. Mikroorganizmalar, altı değerlikli krom, Cr(VI)'yı üç değerlikli Cr (III)'e indirgeyerek kromun toksisitesini ve hareketliliğini azaltmak için kullanılabilir. Uranyum, daha hareketli U(VI) oksidasyon durumundan daha az hareketli U(IV) oksidasyon durumuna indirgenebilir. Bu proseste mikroorganizmalar kullanılır, çünkü bu metallerin indirgenme hızı, mikrobiyal etkileşimler tarafından katalize edilmediği sürece genellikle yavaştır. Bu yaklaşım kadmiyum, krom ve kurşun tedavisi için değerlendirilmiştir. Fito ekstraksiyon prosesleri , daha sonra uzaklaştırmak için biyokütledeki kirleticileri konsantre eder.
Tarım ilacı
Çeşitli için herbisit ve diğer pestisitler hem aerobic- ve anaerobik - heterotrofların dahil etkili kanıtlanmıştır Flavobacterium spp. ve Arthrobacter spp. Aeroblar, organofosfatlar ve klorsuz maddeler için birincil seçimdir . Klorlu yapılar (en sık DDT , DDE (dichlorodiphenyldichloroethylene) , heptachlor , dieldrin ve klordan gerçekten detoks bunlarla) zor triazinler ve (dahil organofosfatlara Malathionun ve parathion ) için bir remediator bulmak için nispeten daha kolaydır. Bu, özellikle daha önce kalıcı olduğu bilinen atrazin (bir triazin) için yararlıdır .
Biyoremediasyonun sınırlamaları
Biyoremediasyon, organik kirleticileri tamamen mineralize etmek, kirleticileri kısmen dönüştürmek veya hareketliliklerini değiştirmek için kullanılabilir. Ağır metaller ve radyonüklidler biyolojik olarak parçalanamayan ancak daha az hareketli formlara biyolojik olarak dönüştürülebilen elementlerdir. Bazı durumlarda, mikroplar kirleticiyi tamamen mineralize etmez ve potansiyel olarak daha toksik bir bileşik üretir. Örneğin, anaerobik koşullar altında , TCE'nin indirgeyici halojensizleştirilmesi , şüphelenilen veya kanserojen olduğu bilinen dikloroetilen (DCE) ve vinil klorür (VC) üretebilir . Bununla birlikte, mikroorganizma Dehalococcoides , DCE ve VC'yi toksik olmayan ürün etenine daha da indirgeyebilir. Biyobozunma ürünlerinin orijinal kirleticiden daha az kalıcı ve daha az toksik olmasını sağlamak için yöntemler geliştirmek için ek araştırmalar gereklidir. Bu nedenle, ilgilenilen mikroorganizmaların metabolik ve kimyasal yolları bilinmelidir. Ek olarak, bu yolları bilmek, bir kirletici karışımının eşit olmayan dağılımlarına sahip sitelerle başa çıkabilecek yeni teknolojilerin geliştirilmesine yardımcı olacaktır.
Ayrıca, biyolojik bozunmanın meydana gelmesi için, kirleticiyi parçalayacak metabolik kapasiteye sahip bir mikrobiyal popülasyon, mikroplar için doğru büyüme koşullarına sahip bir ortam ve doğru miktarda besin ve kirletici olmalıdır. Bu mikropların kullandığı biyolojik süreçler oldukça spesifiktir, bu nedenle birçok çevresel faktör de dikkate alınmalı ve düzenlenmelidir. Bu nedenle biyoremediasyon işlemleri kontamine sahadaki koşullara uygun olarak özel olarak yapılmalıdır. Genellikle kontamine bölgede prosedürü gerçekleştirmeden önce gerçekleştirilen küçük ölçekli testler gibi birçok faktör birbirine bağlıdır. Ancak, küçük ölçekli test çalışmalarından elde edilen sonuçları büyük saha operasyonlarına tahmin etmek zor olabilir. Çoğu durumda, biyoremediasyon, arazi doldurma ve yakma gibi diğer alternatiflerden daha fazla zaman alır . Başka bir örnek, kontamine bölgeleri biyolojik olarak iyileştirmek için ucuz olan biyolojik havalandırmadır, ancak bu süreç kapsamlıdır ve bir alanı dekontamine etmek birkaç yıl alabilir.
Tarım endüstrilerinde, pestisit kullanımı, doğrudan toprak kirliliği ve akış suyu kirliliğinde en önemli faktördür. Pestisitlerin sınırlandırılması veya iyileştirilmesi, düşük biyoyararlanımdır. Kirlenmiş toprağın pH'ını ve sıcaklığını değiştirmek, biyoyararlanımı artırmak için bir çözümdür ve bu da zararlı bileşiklerin bozunmasını arttırır.
Bileşik akrilonitril , yaygın olarak endüstriyel ortamda üretilir ancak toprakları olumsuz şekilde kirletir. Nitril hidrataz (NHase) içeren mikroorganizmalar, zararlı akrilonitril bileşiklerini kirletici olmayan maddelere indirgemiştir.
Zararlı kirleticilerle ilgili deneyim sınırlı olduğundan, etkinliği, arıtma tasarımlarını değerlendirmek ve arıtma sürelerini tahmin etmek için laboratuvar uygulamaları gereklidir. Biyoremediasyon süreçleri, kirlenmiş alanın boyutuna bağlı olarak birkaç aydan birkaç yıla kadar sürebilir.
Genetik mühendisliği
Biyoremediasyon için özel olarak tasarlanmış organizmalar yaratmak için genetik mühendisliğinin kullanımı ön araştırma aşamasındadır. Organizmaya iki kategori gen eklenebilir: kirleticilerin parçalanması için gerekli proteinleri kodlayan parçalayıcı genler ve kirlilik seviyelerini izleyebilen raportör genler. Pseudomonas'ın çok sayıda üyesi de lux geni ile modifiye edilmiştir, ancak poliaromatik hidrokarbon naftalinin tespiti için. Modifiye edilmiş organizmanın salıverilmesine yönelik bir saha testi, orta derecede büyük bir ölçekte başarılı olmuştur.
Yatay gen transferi potansiyeli nedeniyle genetiği değiştirilmiş organizmaların çevreye salınması ve muhafaza edilmesiyle ilgili endişeler vardır. Genetiği değiştirilmiş organizmalar, Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı altındaki 1976 tarihli Toksik Maddeler Kontrol Yasası kapsamında sınıflandırılır ve kontrol edilir . Bu endişeleri gidermek için önlemler oluşturuldu. Organizmalar, yalnızca belirli çevresel koşullar altında hayatta kalabilecekleri ve büyüyebilecekleri şekilde değiştirilebilirler. Ek olarak, görsel tanımlama için biyolüminesans genlerinin eklenmesiyle değiştirilmiş organizmaların izlenmesi daha kolay hale getirilebilir .
Petrol sızıntılarını tedavi etmek ve belirli plastikleri (PET) parçalamak için genetiği değiştirilmiş organizmalar oluşturulmuştur .
Ayrıca bakınız
- biyolojik bozunma
- biyoliç
- Radyoaktif atıkların biyoremediasyonu
- biyosürfaktan
- şelasyon
- Hollanda standartları
- Halk Duvarı
- Çevre konularının listesi
- Yaşayan makineler
- Yeşil duvar
- Mega Borg Petrol Sızıntısı
- Mikrobiyal biyolojik bozunma
- mikoremediasyon
- mikorizal biyoremediasyon
- fitoremediasyon
- Pseudomonas putida (yağı parçalamak için kullanılır)
- restorasyon ekolojisi
- ABD Mikropları
- ksenokatabolizma