BIOREMEDIATION: מאפיינים, סוגים, יתרונות וחסרונות - ביולוגיה - 2025

ה- Bioremediation הוא קבוצה של תברואה ביוטכנולוגית תוך שימוש ביכולות מטבוליות של מיקרואורגניזמים חיידקיים, פטריות, צמחים ו / או אנזימים מבודדים, בכדי לסלק מזהמים באדמה ובמים.

מיקרואורגניזמים (חיידקים ופטריות) וכמה צמחים יכולים להעביר ביולוגי מגוון רחב של תרכובות אורגניות מזהמות ורעילות, עד שהן אינן מזיקות או אינן מזיקות. הם יכולים אפילו להתפרק בכמה תרכובות אורגניות לצורות הפשוטות ביותר שלהם, כמו מתאן (CH ₄ ) ופחמן דו חמצני (CO ₂ ).

איור 1. איור 1. זיהום סביבתי על ידי שפיכת נפט, מאוחר יותר טופל בביורדיאציה. מקור: commons.wikimedia.org

ישנם מיקרואורגניזמים וצמחים שיכולים לחלץ או לסובב אלמנטים כימיים רעילים, כמו מתכות כבדות, בסביבה (באתרם). על ידי נטילת החומר הרעיל בסביבה הוא אינו זמין עוד לאורגניזמים חיים ולכן אינו משפיע עליהם.

לכן הפחתת הזמינות הביולוגית של חומר רעיל היא גם סוג של ביורדיאציה, אם כי אין הדבר מרמז על סילוק החומר מהסביבה.

יש כיום אינטרס מדעי ומסחרי הולך וגדל בפיתוח טכנולוגיות חסכוניות ונמוכות (או "ידידותיות לסביבה") על טכנולוגיות, כגון ביו-תיווך של פני השטח ומי תהום, בוצה וקרקעות מזוהמות.

מאפייני bioremediation

מזהמים הניתנים לטיפול עדיף

בין המזהמים שעברו חלופה מוקדמת נמנים מתכות כבדות, חומרים רדיואקטיביים, מזהמים אורגניים רעילים, חומרי נפץ, תרכובות אורגניות שמקורן בשמן (פחמימנים פוליארומטיים או HPA), פנולים, ועוד.

מצבים פיזיקו-כימיים במהלך ביורדיטציה

מכיוון שתהליכי ביורדיציה תלויים בפעילותם של מיקרואורגניזמים וצמחים חיים או באנזימים מבודדים שלהם, יש לשמור על התנאים הפיזיקו-כימיים המתאימים לכל אורגניזם או מערכת אנזימים, על מנת לייעל את פעילותם המטבולית בתהליך הביורדיאציה.

גורמים שיש לייעל ולתחזק לאורך כל תהליך הביורדיאציה

-הריכוז והזמינות הביולוגית של המזהם בתנאים סביבתיים: מכיוון שאם הוא גבוה מדי הוא יכול להזיק לאותם מיקרואורגניזמים שיש להם את היכולת לבצע טרנספורמציה ביולוגית.

לחות: זמינות המים חיונית לאורגניזמים חיים, כמו גם לפעילות האנזימטית של זרזים ביולוגיים נטולי תאים. ככלל, יש לשמור על לחות יחסית של 12 עד 25% בקרקעות העוברות ביו-תיווך.

-טמפרטורה: זה חייב להיות בטווח המאפשר הישרדות של האורגניזמים המיושמים ו / או את הפעילות האנזימטית הנדרשת.

החומרים התזונתיים הזמינים ביולוגית: חיוניים לגידול והכפלה של המיקרואורגניזמים המעניינים. בעיקר יש לשלוט על פחמן, זרחן וחנקן, כמו גם כמה מינרלים חיוניים.

-החומציות או האלקליות של המדיום המימי או ה- pH (מדידה של יוני H ⁺ במדיום).

-זמינות החמצן: ברוב טכניקות ה- Bioremediation משתמשים במיקרו-אורגניזמים אירוביים (למשל בקומפוסטציה, בביפילים ו"חקלאות אדמה "), ויש צורך בסידור המצע. עם זאת, ניתן להשתמש במיקרואורגניזמים אנאירוביים בתהליכי ביורדיציה, בתנאים מבוקרים מאוד במעבדה (באמצעות ביו-רקטורים).

סוגים של ביומדציה

בין הביוטכנולוגיות המיושמות לביו-מימון הם:

ביוסטימולציה

גירוי ביולוגי מורכב מהגירוי באתרם של אותם מיקרואורגניזמים שנמצאים כבר בסביבה שזוהמה (מיקרואורגניזמים אוטו-אוטוניים), המסוגלים להפיץ את החומר המזוהם.

ביוסטימולציה באתרו מושגת על ידי אופטימיזציה של התנאים הפיזיקו-כימיים לתהליך הרצוי, כלומר; pH, חמצן, לחות, טמפרטורה, בין היתר, והוספת חומרים תזונתיים נחוצים.

ביואוגמנטציה

ביואוגמנטציה כוללת הגדלת כמות המיקרואורגניזמים המעניינים (רצוי אוטוכתונוס), הודות לתוספת החיסון שלהם שגדלו במעבדה.

לאחר מכן, מרגע שחוסנו המיקרואורגניזמים המעניינים במקום, יש לייעל את התנאים הפיזיקו-כימיים (כמו למשל בביו-גירוי), כדי לקדם את הפעילות המשפילה של המיקרואורגניזמים.

לצורך יישום ביואוגמנטציה, יש לקחת בחשבון את עלויות התרבות המיקרוביאלית בביו-ריאקטורים במעבדה.

ניתן לשלב גם ביוסטימולציה וגם ביואוגמנטציה עם כל שאר הביוטכנולוגיות המתוארות להלן.

קומפוסטציה

הקומפוסטציה מורכבת מערבוב של החומר המזוהם עם אדמה לא מזוהמת בתוספת סוכני גידול צמחיים או בעלי חיים וחומרים מזינים. תערובת זו יוצרת קונוסים עד לגובה של 3 מ ', מרווחים זה מזה.

יש לשלוט על החמצון של השכבות התחתונות של החרוטים, באמצעות הסרתם הרגילה מאתר לאתר אחר באמצעות מכונות. יש לשמור גם על תנאים אופטימליים של לחות, טמפרטורה, pH, חומרים מזינים, בין היתר.

ביופפילים

טכניקת ה- Bioremediation עם ביופיליות זהה לטכניקת הקומפוסטציה שתוארה לעיל, למעט:

• היעדר סוכני רבייה ממקור צמחי או מן החי.
• ביטול אוורור באמצעות תנועה מאתר לאתר.

הביפילים נותרו קבועים באותו מקום, ומועלים בשכבות הפנימיות שלהם דרך מערכת צינורות, אשר יש לקחת בחשבון את עלויות ההתקנה, התפעול והתחזוקה שלהן משלב התכנון של המערכת.

גידול אדמה

הביוטכנולוגיה המכונה "חקלאת אדמה" (בתרגום מאנגלית: עיבוד האדמה) מורכבת מערבוב של החומר המזוהם (בוץ או משקע) עם 30 ס"מ הראשונים של אדמה לא מזוהמת של שטח גדול.

בסנטימטרים ראשונים אלה של הקרקע, עדיפה השפלה של חומרים מזהמים בזכות האוורור והתערובת שלהם. מכונות חקלאיות משמשות למשימות אלה, כמו טרקטורי חרשים.

החיסרון העיקרי של גידול אדמה הוא שהוא בהכרח מחייב דרכי אדמה גדולות שיכולות לשמש לייצור מזון.

פיטורדיציה

פיטורemediation, המכונה גם מיקרו-אורגניזם וביור-סיוע בעזרת צמחים, הוא מערך של ביוטכנולוגיות המבוסס על שימוש בצמחים ובמיקרו-אורגניזמים לפינוי, הגבלה או הפחתה של רעילותם של חומרים מזהמים במים או בשטח תת-קרקעי, בוצה וגפיות.

במהלך פיטורדיאציה עלולה להתרחש השפלה, מיצוי ו / או ייצוב (ירידה בזמינות ביולוגית) של המזהם. תהליכים אלה תלויים באינטראקציות בין צמחים למיקרואורגניזמים החיים קרוב מאוד לשורשים שלהם, באזור שנקרא Rhizosphere.

איור 2. איור 2. Bioremediation של מים מזוהמים עם צמחים ומיקרואורגניזמים. מקור: Wikyhelper, מתוך Wikimedia Commons

הפיטורמציה הצליחה במיוחד בהוצאת מתכות כבדות וחומרים רדיואקטיביים מהקרקעות ומי התהום או מי התהום (או סינון של מים מזוהמים)

במקרה זה הצמחים צוברים את המתכות מהסביבה ברקמותיהם ואז נקצרים ונשרפים בתנאים מבוקרים, כך שהמזהם עובר מפיזור בסביבה, לריכוז בצורה של אפר.

ניתן לטפל באפר שמתקבל כדי לשחזר את המתכת (אם זה אינטרס כלכלי), או להפקיר במקומות לסילוק סופי של פסולת.

החיסרון של הפיטורמדיציה הוא היעדר ידע מעמיק באינטראקציות המתרחשות בין האורגניזמים המעורבים (צמחים, חיידקים, ואולי פטריות mycorrhizal).

מצד שני, יש לשמור על תנאים סביבתיים המספקים את צרכיהם של כל האורגניזמים המיושמים.

ביורקטורים

ביו-ריאקטורים הם מכולות בגודל ניכר המאפשרים לשמור על תנאים פיזיקוכימיים מבוקרים מאוד בתקשורת תרבותית מימית, במטרה להעדיף תהליך ביולוגי של עניין.

ניתן לטפח מיקרואורגניזמים ופטריות חיידקיות בקנה מידה גדול במעבדה בביו-ריאקטורים ואז ליישם בתהליכי ביואוגמנטציה במקום. ניתן לטפח מיקרו-אורגניזמים לטובת השגת האנזימים המשפילים שלהם.

ביו-ריאקטורים משמשים בתהליכי bioremediation ex-situ, על ידי ערבוב המצע המזוהם עם מדיום התרבות החיידק, ומעדיף את השפלת המזהם.

מיקרואורגניזמים הגדלים בביו-ריאקטורים יכולים אפילו להיות אנאירוביים, ובמקרה זה, על מדיום התרבות המימית להיות נטול חמצן מומס.

איור 3. איור 3. Bioreactor. מקור: es.m.wikipedia.org

בקרב ביו-טכנולוגיות ביו-מדעיות השימוש בביו-ריאקטורים הוא יקר יחסית, בגלל תחזוקת ציוד ודרישות לתרבות מיקרוביאלית.

Microremediation

השימוש במיקרואורגניזמים פטרייתיים (פטריות מיקרוסקופיות) בתהליכי ביורדיציה של מזהם רעיל נקרא mycorremediation.

יש לקחת בחשבון כי גידול פטריות מיקרוסקופיות הוא בדרך כלל מורכב יותר מזה של חיידקים ולכן מרמז על עלויות גבוהות יותר. יתרה מזאת, פטריות צומחות ומתרבות לאט יותר מחיידקים, כאשר ביורדיטציה בסיוע פטרייתי היא תהליך איטי יותר.

Bioremediation לעומת טכנולוגיות פיזיקליות וכימיות קונבנציונאליות

-יתרון

ביו-טכנולוגיות ביו-מדעיות הן הרבה יותר חסכוניות וידידותיות לסביבה מאשר טכנולוגיות תברואה כימיות ופיזיקליות סביבתיות המיושמות.

פירוש הדבר שליישום של ביומטריה יש השפעה סביבתית נמוכה יותר מאשר פרקטיקות פיזיוכימיות קונבנציונאליות.

לעומת זאת, בקרב המיקרואורגניזמים המיושמים בתהליכי ביומרידיציה, חלקם יכולים אפילו למינרליזציה של התרכובות המזהמות, להבטיח את היעלמותן מהסביבה, דבר שקשה להשיג בשלב אחד עם תהליכים פיזיקוכימיים קונבנציונליים.

חסרונות והיבטים שיש לקחת בחשבון

יכולות מטבוליות מיקרוביאליות הקיימות בטבע

בהתחשב בכך שרק 1% מהמיקרואורגניזמים הקיימים בטבע בודדו, מגבלה של ביורדיאציה היא בדיוק זיהוי של מיקרואורגניזמים המסוגלים לשבש ביולוגית חומר מזוהם ספציפי.

חוסר ידע במערכת המיושמת

מצד שני, ביו-תיווך עובד עם מערכת מורכבת של שני אורגניזמים חיים או יותר, שבדרך כלל לא מובנת לחלוטין.

יש מיקרואורגניזמים שנחקרו מכילים תרכובות מזהמות ביולוגיות לתוצרי לוואי רעילים עוד יותר. מסיבה זו, יש צורך ללמוד בעבר אורגניזמים ביומטריאציה ואת האינטראקציות שלהם לעומק במעבדה.

בנוסף, יש לבצע בדיקות פיילוט בקנה מידה קטן (בשטח) לפני יישומן בהמוניהם, ולבסוף יש לעקוב אחר תהליכי הביורדיאציה במקום, על מנת להבטיח כי התברואה הסביבתית מתרחשת נכון.

חילוץ תוצאות שהתקבלו במעבדה

בגלל המורכבות הגבוהה של מערכות ביולוגיות, לא תמיד ניתן להוציא תוצאות שהתקבלו בקנה מידה קטן במעבדה לתהליכי שדה.

ייחודיות של כל תהליך ביו-תיווך

כל תהליך ביומטריאציה כרוך בתכנון ניסיוני ספציפי, על פי התנאים הספציפיים של האתר המזוהם, סוג המזהם שיש לטפל בו ואת האורגניזמים שיש ליישם.

לאחר מכן יש צורך כי תהליכים אלו יופנו על ידי קבוצות מומחים בינתחומיים, שביניהם חייבים להיות ביולוגים, כימאים, מהנדסים, ואחרים.

שמירה על התנאים הפיזיקו-כימיים הסביבתיים לטובת הצמיחה והפעילות המטבולית של העניין, מרמזת על עבודה קבועה במהלך תהליך הביורדיאציה.

זמן דרוש

לבסוף, תהליכי ביורדיטציה יכולים לקחת זמן רב יותר מאשר תהליכים פיזיקו-כימיים קונבנציונליים.

הפניות

1. אדמס, GO, טווארי-פופיין, פ. איגילניה, א '(2014). Bioremediation של קרקעות מזוהמות בשמן מבוזבז באמצעות מלטה עופות. כתב עת למחקר בהנדסה ומדעים יישומיים 3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediation, Biostimulation and Bioaugmentation: סקירה". כתב העת Internation of Bioremediation and Biodegradation. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "גורמים המגבילים טכנולוגיות ביומטריציה". טכנולוגיית ביורסורס. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY and Schoeder, D. (1999). עקרונות ההחלמה. מקגרו היל אינטרמריקנה מספרד, מדריד. עמ '296.
5. מדיגן, מ.ט., מרטינקו, ג'יי.מ, בנדר, ק.ס., באקלי, ד.ה. שטאל, ד.א. ו ברוק, ט (2015). ברוק ביולוגיה של מיקרואורגניזמים. 14 ed. בנג'מין קאמינגס. עמ '1041.
6. מקיני, רי (2004). מיקרוביולוגיה לבקרת זיהום סביבתי. מ. דקר. עמ '453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. הכומר צמח ביול 56: 15-39.