Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Биоремедиация - это процесс, используемый для обработки загрязненных сред, включая воду, почву и подземный материал, путем изменения условий окружающей среды для стимулирования роста микроорганизмов и разложения целевых загрязнителей. Во многих случаях биоремедиация дешевле и более устойчива, чем другие альтернативы реабилитации . [1] Биологическая очистка - это аналогичный подход, используемый для обработки отходов, включая сточные воды, промышленные отходы и твердые отходы.

Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные реакции, в которых либо акцептор электронов (обычно кислород) добавляется для стимуляции окисления восстановленного загрязнителя (например, углеводородов), либо добавляется донор электронов (обычно органический субстрат) для уменьшения окисленных загрязнителей (нитрат, перхлорат). , окисленные металлы, хлорированные растворители, взрывчатые вещества и пропелленты). [2] В обоих этих подходах могут быть добавлены дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы pH для оптимизации условий для микроорганизмов. В некоторых случаях добавляются специализированные микробные культуры ( биоаугментация ) для дальнейшего усиления биодеградации. Некоторые примеры технологий, связанных с биоремедиацией: фиторемедиация , микромедиация., биовентиляция , биовыщелачивание , земледелие , биореактор , компостирование , биоаугментация , ризофильтрация и биостимуляция .

Химия [ править ]

Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные ( окислительно-восстановительные ) реакции, когда химическое соединение отдает электрон ( донор электронов ) другому веществу, которое принимает электрон ( акцептор электронов ). Говорят, что во время этого процесса донор электронов окисляется, а акцептор электронов восстанавливается. Общие акцепторы электронов в процессах биоремедиации включают кислород , нитрат , марганец (III и IV), железо (III), сульфат , диоксид углерода.и некоторые загрязнители (хлорированные растворители, взрывчатые вещества, окисленные металлы и радионуклиды). Доноры электронов включают сахара, жиры, спирты, природные органические материалы, топливные углеводороды и различные восстановленные органические загрязнители. Окислительно - восстановительный потенциал для общих реакций биотрансформации показано в таблице.

ПроцессРеакцияРедокс-потенциал (E h в мВ ) 
аэробныйO 2 + 4e - + 4H + → 2H 2 O600 ~ 400
анаэробный
денитрификация2НО 3 - + 10e - + 12H + → N 2 + 6H 2 O500 ~ 200
восстановление марганца IVMnO 2 + 2e - + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O    400 ~ 200
восстановление железа IIIFe (OH) 3 + e - + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O300 ~ 100
сульфат снижениеSO 4 2− + 8e - +10 H + → H 2 S + 4H 2 O0 ~ -150
ферментация2CH 2 O → CO 2 + CH 4-150 ~ -220

Аэробика [ править ]

Аэробная биоремедиация является наиболее распространенной формой процесса окислительной биоремедиации, когда кислород предоставляется в качестве акцептора электронов для окисления нефти , полиароматических углеводородов (ПАУ), фенолов и других восстановленных загрязнителей. Кислород обычно является предпочтительным акцептором электронов из-за более высокого выхода энергии и из-за того, что кислород необходим некоторым ферментным системам для инициирования процесса разложения. [3] Многочисленные лабораторные и полевые исследования показали, что микроорганизмы могут разлагать широкий спектр углеводородов, включая компоненты бензина, керосина, дизельного топлива и реактивного топлива. В идеальных условиях скорость биоразложения алифатических , алициклических соединений от низкого до среднего веса, а ароматические соединения могут быть очень высокими. По мере увеличения молекулярной массы соединения увеличивается и устойчивость к биоразложению. [3]

Общие подходы к обеспечению кислородом над уровнем грунтовых вод включают земледелие , компостирование и биовентиляцию . Во время земледелия загрязненные почвы, отложения или шламы попадают в поверхность почвы и периодически переворачиваются (обрабатываются) с использованием обычного сельскохозяйственного оборудования для аэрации смеси. Компостирование ускоряет биоразложение загрязняющих веществ за счет смешивания обрабатываемых отходов с наполнителем, формирования кучи и периодического перемешивания для увеличения переноса кислорода. Биовентиляция - это процесс, который увеличивает приток кислорода или воздуха в ненасыщенную зону почвы, что увеличивает скорость естественного разложения на месте целевого углеводородного загрязнителя. [4]

Подходы к добавлению кислорода ниже уровня грунтовых вод включают рециркуляцию аэрированной воды через зону обработки, добавление чистого кислорода или пероксидов и барботирование воздуха . Системы рециркуляции обычно состоят из комбинации нагнетательных скважин или галерей и одной или нескольких добывающих скважин, в которых извлеченные подземные воды обрабатываются, насыщаются кислородом, дополняются питательными веществами и повторно закачиваются. Однако количество кислорода, которое может быть получено этим методом, ограничено низкой растворимостью кислорода в воде (от 8 до 10 мг / л для воды, находящейся в равновесии с воздухом при типичных температурах). Большее количество кислорода можно получить, контактируя с водой с чистым кислородом или добавляя перекись водорода (H 2 O 2) к воде. В некоторых случаях суспензии твердой перекиси кальция или магния вводятся под давлением через земляные скважины. Эти твердые пероксиды реагируют с водой, выделяя H 2 O 2, которая затем разлагается с выделением кислорода. Барботаж включает нагнетание воздуха под давлением ниже уровня грунтовых вод. Давление нагнетания воздуха должно быть достаточно большим, чтобы преодолевать гидростатическое давление воды и сопротивление потоку воздуха через почву. [5]

Анаэробный [ править ]

Анаэробная биоремедиация может использоваться для обработки широкого спектра окисленных загрязнителей, включая хлорированные этены ( PCE , TCE , DCE , VC) , хлорированные этаны ( TCA , DCA ), хлорметаны ( CT , CF ), хлорированные циклические углеводороды, различные энергетические вещества (например, перхлорат , [6] гексоген , тротил ) и нитрат . [7] Этот процесс включает добавление донора электронов к: 1) истощению фоновых акцепторов электронов, включая кислород, нитрат, окисленное железо, марганец и сульфат; и 2) стимулировать биологическое и / или химическое восстановление окисленных загрязнителей. Шестивалентный хром (Cr [VI]) и уран (U [VI]) могут быть восстановлены до менее подвижных и / или менее токсичных форм (например, Cr [III], U [IV]). Точно так же восстановление сульфата до сульфида (сульфидогенез) можно использовать для осаждения определенных металлов (например, цинка , кадмия). Выбор субстрата и метода закачки зависит от типа и распределения загрязнителя в водоносном горизонте, гидрогеологии и целей реабилитации. Субстрат может быть добавлен с использованием обычных скважинных установок, методом прямого проталкивания или путем выемки грунта и засыпки, например, проницаемых реактивных барьеров (PRB) или биостен. Продукты с медленным высвобождением, состоящие из пищевых масел или твердых субстратов, как правило, остаются на месте в течение длительного периода обработки. Растворимые субстраты или растворимые продукты ферментации субстратов с медленным высвобождением могут потенциально мигрировать посредством адвекции и диффузии, обеспечивая более широкие, но более короткие зоны обработки. Добавленные органические субстраты сначала ферментируются до водорода (H 2) и летучие жирные кислоты (ЛЖК). ЛЖК, включая ацетат, лактат, пропионат и бутират, обеспечивают углерод и энергию для метаболизма бактерий. [7] [2]

Тяжелые металлы [ править ]

Тяжелые металлы, включая кадмий, хром, свинец и уран, являются элементами, поэтому они не могут подвергаться биологическому разложению. Тем не менее, процессы биоремедиации могут потенциально использоваться для снижения подвижности этих материалов в недрах, снижая вероятность воздействия на человека и окружающую среду. Подвижность некоторых металлов, включая хром (Cr) и уран (U), варьируется в зависимости от степени окисления материала. [8] Микроорганизмы могут использоваться для снижения токсичности и подвижности хрома путем восстановления шестивалентного хрома Cr (VI) до трехвалентного Cr (III). [9] Уран может быть восстановлен из более подвижной степени окисления U (VI) до менее подвижной степени окисления U (IV). [10] [11] В этом процессе используются микроорганизмы, потому что скорость восстановления этих металлов часто является медленной, если это не катализируется микробными взаимодействиями [12]. Также ведутся исследования по разработке методов удаления металлов из воды путем усиления сорбции металла на стенках клеток. [12] Этот подход был протестирован для обработки кадмия, [13] хрома [14] и свинца. [15] Процессы фитоэкстракции концентрируют загрязняющие вещества в биомассе для последующего удаления.

Добавки [ править ]

В случае биостимуляции, добавление питательных веществ, которые ограничены, чтобы сделать окружающую среду более подходящей для биоремедиации, в систему могут быть добавлены питательные вещества, такие как азот, фосфор, кислород и углерод, для повышения эффективности лечения. [16]

Многие биологические процессы чувствительны к pH и наиболее эффективно работают в почти нейтральных условиях. Низкий уровень pH может нарушить гомеостаз pH или повысить растворимость токсичных металлов. Микроорганизмы могут расходовать клеточную энергию для поддержания гомеостаза или условия цитоплазмы могут изменяться в ответ на внешние изменения pH. Некоторые анаэробы адаптировались к условиям с низким pH за счет изменений углеродного и электронного потока, клеточной морфологии, структуры мембраны и синтеза белка. [17]

Ограничения биоремедиации [ править ]

Биоремедиация может использоваться для полной минерализации органических загрязнителей, частичного преобразования загрязнителей или изменения их подвижности. Тяжелые металлы и радионуклиды - это элементы, которые не могут быть подвергнуты биологическому разложению, но могут быть биотрансформированы в менее мобильные формы. [18] [19] [20] В некоторых случаях микробы не полностью минерализуют загрязнитель, потенциально производя более токсичное соединение. [20] Например, в анаэробных условиях восстановительного дегалогенирования из TCE может привести к дихлорэтилена (DCE) и винилхлорида (VC), которые предполагаемых или известных канцерогенов . [18]Однако микроорганизм Dehalococcoides может дополнительно восстанавливать DCE и VC до нетоксичного продукта этена. [21] Требуются дополнительные исследования для разработки методов, гарантирующих, что продукты биоразложения будут менее стойкими и менее токсичными, чем исходный загрязнитель. [20] Таким образом, необходимо знать метаболические и химические пути интересующих микроорганизмов. [18] Кроме того, знание этих путей поможет разработать новые технологии, которые могут иметь дело с участками с неравномерным распределением смеси загрязняющих веществ. [22]

Кроме того, для того, чтобы происходило биоразложение, должна существовать микробная популяция с метаболической способностью разлагать загрязнитель, среда с правильными условиями роста для микробов и правильным количеством питательных веществ и загрязнителей. [22] [19] Биологические процессы, используемые этими микробами, очень специфичны, поэтому необходимо учитывать и регулировать многие факторы окружающей среды. [22] [18] Таким образом, процессы биоремедиации должны осуществляться в соответствии с условиями на загрязненном участке. [18] Кроме того, поскольку многие факторы взаимозависимы, перед проведением процедуры на загрязненном участке обычно проводятся мелкомасштабные испытания. [19]Однако может быть сложно экстраполировать результаты небольших тестовых исследований на большие полевые операции. [22] Во многих случаях биоремедиация требует больше времени, чем другие альтернативы, такие как насыпь земли и сжигание . [22] [18]

Генная инженерия [ править ]

Использование генной инженерии для создания организмов, специально предназначенных для биоремедиации, находится в стадии предварительных исследований. [23] В организм могут быть вставлены две категории генов: гены деградации, которые кодируют белки, необходимые для разложения загрязняющих веществ, и гены-репортеры, которые способны контролировать уровни загрязнения. [24] Многие представители Pseudomonas также были модифицированы геном lux, но для обнаружения полиароматических углеводородов нафталина. Полевые испытания на выпуск модифицированного организма были успешными в умеренно больших масштабах. [25]

Есть опасения, связанные с выпуском и сохранением генетически модифицированных организмов в окружающей среде из-за возможности горизонтального переноса генов. [26] Генетически модифицированные организмы классифицируются и контролируются в соответствии с токсичными веществами Закона о контроле 1976 года в соответствии с Агентством США по охране окружающей среды . [27] Были приняты меры для решения этих проблем. Организмы можно модифицировать так, чтобы они могли выживать и расти только при определенных условиях окружающей среды. [26] Кроме того, отслеживание измененных организмов можно упростить с помощью вставки генов биолюминесценции для визуальной идентификации. [28]

Генетически модифицированные организмы были созданы для обработки разливов нефти и разрушения некоторых пластиков (ПЭТ) [29]

См. Также [ править ]

  • Биоразложение
  • Биовыщелачивание
  • Биоремедиация радиоактивных отходов
  • Биосурфактант
  • Хелатирование
  • Голландские стандарты
  • Народная стена
  • Список тем окружения
  • Живые машины
  • Зеленая стена
  • Разлив нефти Mega Borg
  • Микробное биоразложение
  • Mycoremediation
  • Микоризная биоремедиация
  • Фиторемедиация
  • Pseudomonas putida (используется для разложения масла)
  • Реставрационная экология
  • Микробика США
  • Ксенокаболизм

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Передовые методы управления экологической реабилитацией: участки с протекающими системами подземных резервуаров. EPA 542-F-11-008» (PDF) . EPA. Июнь 2011 г.
  2. ^ a b Введение в биоремедиацию подземных вод на месте (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. 2013. с. 30.
  3. ^ a b Норрис, Роберт (1993). Справочник по биоремедиации . CRC Press. п. 45. ISBN 9781351363457.
  4. ^ Фрутос, Ф. Хавьер Гарсия; Эсколано, Ольга; Гарсия, Сусана; Бабин, Мар; Фернандес, М. Долорес (ноябрь 2010 г.). «Биовентиляция ремедиации и оценка экотоксичности почвы, загрязненной фенантреном». Журнал опасных материалов . 183 (1–3): 806–813. DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2010.07.098 . ISSN 0304-3894 . 
  5. Перейти ↑ Leeson, Andrea (2002). Парадигма конструкции воздушного барботажа . http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA492279 : BATTELLE COLUMBUS OH.CS1 maint: location ( ссылка )
  6. Перейти ↑ Coates J, Jackson W (2008). «Принципы лечения перхлоратами». В Stroo H, Ward CH (ред.). Биоремедиация перхлората в подземных водах in situ . Нью-Йорк: Спрингер. С. 29–53. DOI : 10.1007 / 978-0-387-84921-8_3 . ISBN 978-0-387-84921-8.
  7. ^ a b Принципы и практики усиленной анаэробной биоремедиации хлорированных растворителей . Центр передового опыта в области охраны окружающей среды ВВС, Техас, Центр инженерных услуг военно-морских сил, Калифорния и Программа сертификации технологий экологической безопасности, Вирджиния 2004 г.
  8. ↑ RG Ford, RT Wilkin и RW Puls (2007). Мониторинг естественного ослабления неорганических загрязнителей в грунтовых водах, Том 1, Техническая основа для оценки (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США, EPA / 600 / R-07/139. OCLC 191800707 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ↑ RG Ford, RT Wilkin и RW Puls (2007). Мониторинг естественного ослабления неорганических загрязняющих веществ в грунтовых водах, Том 2 - Оценка нерадионульцидов, включая мышьяк, кадмий, хром, медь, свинец, никель, нитраты, перхлораты и селен (PDF) . USEPA. CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Williams KH, Bargar JR, Lloyd JR, Lovley DR (июнь 2013). «Биоремедиация загрязненных ураном подземных вод: системный подход к подземной биогеохимии». Текущее мнение в области биотехнологии . 24 (3): 489–97. DOI : 10.1016 / j.copbio.2012.10.008 . PMID 23159488 . 
  11. ^ RG Ford и RT Wilkin (2007). Мониторинг естественного ослабления неорганических загрязнителей в грунтовых водах, Том 3 «Оценка радионуклидов, включая тритий, радон, стронций, технеций, уран, йод, радий, торий, цезий и плутоний-америций» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США, EPA / 600 / R-10/093.
  12. ^ a b Анна., Хейзен, Терри. Пальмизано (2003). Биоремедиация металлов и радионуклидов: что это такое и как работает (2-е издание) . Национальная лаборатория Лоуренса Беркли. OCLC 316485842 . 
  13. Перейти ↑ Ansari MI, Malik A (ноябрь 2007 г.). «Биосорбция никеля и кадмия металлостойкими бактериальными изолятами из сельскохозяйственных почв, орошаемых промышленными сточными водами». Биоресурсные технологии . 98 (16): 3149–53. DOI : 10.1016 / j.biortech.2006.10.008 . PMID 17166714 . 
  14. ^ Дюран U, Coronado-Apodaca KG, Меса-Эскаланте ER, Ulloa-Меркадо G, D Serrano (май 2018). «Два комбинированных механизма, ответственных за удаление шестивалентного хрома на активном анаэробном гранулированном консорциуме». Chemosphere . 198 : 191–197. Bibcode : 2018Chmsp.198..191D . DOI : 10.1016 / j.chemosphere.2018.01.024 . PMID 29421729 . 
  15. ^ Tripathi M, Munot HP, Shouche Y, Meyer JM, Goel R (май 2005 г.). «Выделение и функциональная характеристика производящих сидерофоры, устойчивых к свинцу и кадмию, Pseudomonas putida KNP9». Современная микробиология . 50 (5): 233–7. DOI : 10.1007 / s00284-004-4459-4 . PMID 15886913 . 
  16. ^ Адамс, Omokhagbor (28 февраля 2015). «Биоремедиация, биостимуляция и биоаугментация: обзор» . Международный журнал экологической биоремедиации и биодегредации . 3 (1): 28–39 - через Research Gate.
  17. ^ Слончевским, JL (2009). «Стрессовые реакции: pH». В Шехтере, Мозелио (ред.). Энциклопедия микробиологии (3-е изд.). Эльзевир. С. 477–484. DOI : 10.1016 / B978-012373944-5.00100-0 . ISBN 978-0-12-373944-5.
  18. ^ Б с д е е Juwarkar А.А., Singh SK, Mudhoo A (2010). «Комплексный обзор элементов биоремедиации». Обзоры в области экологической науки и био / технологий . 9 (3): 215–88. DOI : 10.1007 / s11157-010-9215-6 .
  19. ^ a b c Бупатия, Р. (2000). «Факторы, ограничивающие технологии биоремедиации». Биоресурсные технологии . 74 : 63–7. DOI : 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3 .
  20. ^ a b c Векслер, главный редактор, Филип (2014). Энциклопедия токсикологии (3-е изд.). Сан-Диего, Калифорния: Academic Press Inc., стр. 489. ISBN. 9780123864543.CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Maymó-Gatell, Xavier; Цзянь, Юэ-тынг; Госсетт, Джеймс М .; Зиндер, Стивен Х. (1997-06-06). «Выделение бактерии, которая восстанавливает дехлорирование тетрахлорэтилена до этена». Наука . 276 (5318): 1568–1571. DOI : 10.1126 / science.276.5318.1568 . ISSN 0036-8075 . PMID 9171062 .  
  22. ^ а б в г д Видали, М. (2001). «Биоремедиация. Обзор» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 73 (7): 1163–72. DOI : 10,1351 / pac200173071163 .
  23. ^ Lovley DR (октябрь 2003). «Очистка с помощью геномики: применение молекулярной биологии к биоремедиации». Обзоры природы. Микробиология . 1 (1): 35–44. DOI : 10.1038 / nrmicro731 . PMID 15040178 . 
  24. ^ Мень F, Easter JP, Sayler GS (2001). «Генетически модифицированные микроорганизмы и биоремедиация». Набор биотехнологии . С. 441–63. DOI : 10.1002 / 9783527620999.ch21m . ISBN 978-3-527-62099-9.
  25. ^ Ripp S, Nivens DE, Ahn Y, Werner C, Jarrell J, Easter JP, Cox CD, Burlage RS, Sayler GS (2000). «Контролируемое высвобождение в поле биолюминесцентного генно-инженерного микроорганизма для мониторинга и контроля процесса биоремедиации». Наука об окружающей среде и технологии . 34 (5): 846–53. Bibcode : 2000EnST ... 34..846R . DOI : 10.1021 / es9908319 .
  26. ^ a b Дэвисон J (декабрь 2005 г.). «Снижение риска генетически модифицированных бактерий и растений, предназначенных для биоремедиации». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 32 (11–12): 639–50. DOI : 10.1007 / s10295-005-0242-1 . PMID 15973534 . 
  27. ^ Sayler GS, Ripp S (июнь 2000). «Полевые применения генно-инженерных микроорганизмов для процессов биоремедиации». Текущее мнение в области биотехнологии . 11 (3): 286–9. DOI : 10.1016 / S0958-1669 (00) 00097-5 . PMID 10851144 . 
  28. ^ Шэнкер R, Пурохит HJ, Кханна P (1998). «Биоремедиация для обращения с опасными отходами: индийский сценарий» . В Irvine RL, Sikdar SK (ред.). Технологии биоремедиации: принципы и практика . С. 81–96. ISBN 978-1-56676-561-9.
  29. ^ Построение круговой экономики с синтетической биологией

Внешние ссылки [ править ]

  • Фиторемедиация в Ботаническом саду Миссури
  • Исправить или не исправить?
  • Анаэробная биоремедиация