Биоремедиация - это процесс, используемый для обработки загрязненных сред, включая воду, почву и подземный материал, путем изменения условий окружающей среды для стимулирования роста микроорганизмов и разлагают целевые загрязнители. Во многих случаях биоремедиация менее затратна и более устойчива, чем другие реабилитационные альтернативы. Биологическая очистка - это аналогичный подход, используемый для обработки отходов, включая сточные воды, промышленные отходы и твердые отходы.
Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные реакции, когда либо акцептор электронов (обычно кислород) добавляется для стимуляции окисления восстановленного загрязнителя (например, углеводородов), либо донор электронов (обычно органический субстрат) добавляется для восстановления окисленные загрязнители (нитраты, перхлораты, окисленные металлы, хлорированные растворители, взрывчатые вещества и пропелленты). В обоих этих подходах могут быть добавлены дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы pH для оптимизации условий для микроорганизмов. В некоторых случаях добавляют 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.
Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные (Редокс ) реакции, в которых химическое вещество отдает электрон (донор электронов ) другому веществу, которое принимает электрон (акцептор электронов ). Говорят, что во время этого процесса донор электронов окисляется, а акцептор электронов восстанавливается. Обычные акцепторы электронов в процессах биологической очистки включают кислород, нитрат, марганец (III и IV), железо (III), сульфат, двуокись 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 обычных реакций биотрансформации показан в таблице.
Процесс | Реакция | Редокс-потенциал (E h в mV ) |
---|---|---|
аэробном | O2+ 4e + 4H → 2H 2O | 600 ~ 400 |
анаэробная | ||
денитрификация | 2NO 3 + 10e + 12H → N 2 + 6H 2O | 500 ~ 200 |
марганец снижение IV | MnO 2 + 2e + 4H → Mn + 2H 2O | 400 ~ 200 |
железо восстановление III | Fe (OH) 3 + e + 3H → Fe + 3H 2O | 300 ~ 100 |
сульфат восстановление | SO4+ 8e +10 H → H 2 S + 4H 2O | 0 ~ -150 |
ферментация | 2CH 2 O → CO 2 + CH 4 | -150 ~ -220 |
Аэробная биоремедиация является наиболее распространенная форма процесса окислительной биоремедиации, когда кислород используется 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 потому, что кислород требуется некоторым ферментным системам для инициирования процесса разложения. Многочисленные лаборатории и полевые исследования показали, что микроорганизмы могут разлагать широкий спектр углеводородов, включая компоненты бензина, керосина, дизельного топлива и реактивного топлива. В идеальных условиях скорости биоразложения алифатических, алициклических и ароматических соединений с низкой и средней массой могут быть очень высокими. По мере увеличения молекулярной массы соединения увеличивается и его устойчивость к биоразложению.
Общие подходы к обеспечению кислородом над уровнем грунтовых вод включают земледелие, компостирование и биовентинг. 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. Bioventing - это процесс, который увеличивает приток кислорода или воздуха в ненасыщенную зону почвы, что увеличивает скорость естественного разложения на месте целевого углеводородного загрязнителя.
Подходы для добавления кислорода ниже Уровень грунтовых вод включает 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 может быть получено путем контактирования воды с чистым кислородом или добавления в воду перекиси водорода (H2O2). В некоторых случаях суспензии твердой перекиси кальция или магния вводятся под давлением через земляные скважины. Эти твердые пероксиды реагируют с водой с выделением H 2O2, который 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.
Анаэробная биоремедиация может использоваться для обработки широкого диапазона окисленных загрязнители, включая хлорированные этены (PCE, TCE, DCE, VC), хлорированные этаны (TCA, DCA ), хлорметаны (CT, CF ), хлорированные циклические углеводороды, различные энергетические вещества (например, перхлорат, RDX, TNT ) и нитрат. 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]). Аналогичным образом восстановление сульфата до сульфида (сульфидогенез) можно использовать для осаждения определенных металлов (например, цинк, кадмий ). Выбор субстрата и метода закачки зависит от типа и распределения загрязнителя в водоносном горизонте, гидрогеологии и целей реабилитации. Подложка может быть добавлена с использованием обычных скважинных сооружений, 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 27 2 25) и летучих жирных кислот (ЛЖК). ЛЖК, включая ацетат, лактат, пропионат и бутират, обеспечивают углерод и энергию для метаболизма бактерий.
Тяжелые металлы, включая кадмий, хром, свинец и уран, являются элементами, поэтому они не могут быть биоразлагаемый. Однако процессы биоремедиации могут потенциально использоваться для уменьшения 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. Микроорганизмы можно использовать для снижения токсичности и подвижности хрома за счет восстановления шестивалентного хрома Cr (VI) до трехвалентного Cr (III). Уран может быть восстановлен от более подвижной степени окисления U (VI) до менее подвижной степени окисления U (IV). В этом процессе используются микроорганизмы, потому что скорость восстановления этих металлов часто является медленной, если это не катализируется микробными взаимодействиями. Также ведутся исследования по разработке методов удаления металлов из воды путем усиления сорбции металла на стенках клеток. Этот подход был оценен для обработки кадмия, хрома и свинца. Процессы фитоэкстракции концентрируют загрязняющие вещества в биомассе для последующего удаления.
В случае биостимуляции, добавление питательных веществ, которые ограничены, чтобы сделать среду более подходящей для биоремедиации, в систему могут быть добавлены питательные вещества, такие как азот, фосфор, кислород и углерод. для повышения эффективности лечения.
Многие биологические процессы чувствительны к pH и наиболее эффективно работают в условиях, близких к нейтральным. 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 изменения потока углерода и электронов, клеточной морфологии, структуры мембран и синтеза белка.
Биоремедиация может использоваться для полной минерализации органических загрязнителей, чтобы частично преобразовать загрязняющие вещества или изменить их подвижность. Тяжелые металлы и радионуклиды представляют собой элементы, которые не могут быть подвергнуты биоразложению, но могут быть биотрансформированы в менее подвижные формы. В некоторых случаях микробы не полностью минерализуют загрязнитель, потенциально производя более токсичное соединение. Например, в анаэробных условиях восстановительное дегалогенирование TCE может давать дихлорэтилен (DCE) и винилхлорид (VC), которые подозреваются или известны канцерогены. Однако микроорганизм Dehalococcoides может дополнительно восстанавливать DCE и VC до нетоксичного продукта этена. Требуются дополнительные исследования для разработки методов, гарантирующих, что продукты биоразложения будут менее стойкими и менее токсичными, чем исходный загрязнитель. Таким образом, необходимо знать метаболические и химические пути интересующих микроорганизмов. Кроме того, знание этих путей поможет разработать новые технологии, которые могут иметь дело с участками, которые имеют неравномерное распределение смеси загрязнителей.
Кроме того, для того, чтобы происходило биоразложение, должна существовать микробная популяция с метаболической способностью к разлагают загрязняющие вещества, среду с подходящими условиями для роста микробов и нужным количеством питательных веществ и загрязняющих веществ. Биологические процессы, используемые этими микробами, очень специфичны, поэтому необходимо учитывать и регулировать многие факторы окружающей среды. Таким образом, процессы биоремедиации должны проводиться специально в соответствии с условиями на загрязненном участке. Кроме того, поскольку многие факторы взаимозависимы, перед проведением процедуры на зараженном участке обычно проводятся мелкомасштабные испытания. Однако может быть сложно экстраполировать результаты небольших тестовых исследований на большие полевые операции. Во многих случаях биоремедиация требует больше времени, чем другие альтернативы, такие как засыпка земель и сжигание.
Использование генной инженерии для создания микроорганизмы, специально предназначенные для биоремедиации, проходят предварительные исследования. В организм можно ввести две категории генов: гены деградации, которые кодируют белки, необходимые для разложения загрязняющих веществ, и гены-репортеры, которые могут контролировать уровни загрязнения. Многие представители Pseudomonas также были модифицированы геном lux, но для обнаружения полиароматического углеводородного нафталина. Полевые испытания по высвобождению модифицированного организма были успешными в умеренно большом масштабе.
Существуют опасения, связанные с высвобождением и сдерживанием генетически модифицированных организмов в окружающей среде из-за возможности горизонтального переноса генов. Генетически модифицированные организмы классифицируются и контролируются в соответствии с Законом о контроле над токсичными веществами 1976 года в рамках Агентства по охране окружающей среды США. Были приняты меры для решения этих проблем. Организмы можно модифицировать так, чтобы они могли выживать и расти только при определенных условиях окружающей среды. Кроме того, отслеживание измененных организмов можно упростить с помощью вставки генов биолюминесценции для визуальной идентификации.
Генетически модифицированные организмы были созданы для ликвидации разливов нефти и разрушить некоторые пластмассы (PET)