Биоремедиация - Bioremediation

Биоремедиация это процесс, используемый для обработки загрязненных сред, включая воду, почву и подземный материал, путем изменения условий окружающей среды для стимуляции роста микроорганизмов и разложения целевых загрязнителей. Во многих случаях биоремедиация дешевле и более устойчива, чем другие восстановление альтернативы.[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 биоразложения. Некоторые примеры технологий, связанных с биоремедиацией: фиторемедиация, mycoremediation, биовентиляция, биовыщелачивание, земледелие, биореактор, компостирование, биоаугментация, ризофильтрация, и биостимуляция.

Химия

Большинство процессов биоремедиации включают окислительно-восстановительные (Редокс ) реакции, в которых химическое вещество отдает электрон (донор электронов ) к другому виду, который 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), утюг (III), сульфат, углекислый газ 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. В окислительно-восстановительный потенциал для общих реакций биотрансформации приведен в таблице.

ПроцессРеакцияРедокс-потенциал (Eчас в мВ ) 
аэробныйО2 + 4e− + 4H+ → 2H2О600 ~ 400
анаэробный
денитрификация2НО3− + 10e− + 12H+ → N2 + 6H2О500 ~ 200
марганец Снижение IVMnO2 + 2e− + 4H+ → Mn2+ + 2H2О400 ~ 200
утюг III сокращениеFe (ОН)3 + е− + 3H+ → Fe2+ + 3H2О300 ~ 100
сульфат снижениеТАК42− + 8e− +10 часов+ → H2S + 4H2О0 ~ −150
ферментация2CH2O → CO2 + CH4−150 ~ −220

Аэробика

Аэробная биоремедиация - наиболее распространенная форма процесса окислительной биоремедиации, при которой кислород предоставляется в качестве акцептора электронов для окисления нефть, полиароматические углеводороды (ПАУ), фенолы, и другие пониженные загрязнители. 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 маловесных и умеренных алифатический, алициклический, и ароматный 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 биовентиляция. 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 кучей и периодического перемешивания для увеличения переноса кислорода. Биовентинг представляет собой 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 газированной 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 контакта воды с чистым кислородом или добавления пероксид водорода (ЧАС2О2) к воде. В некоторых случаях суспензии твердой перекиси кальция или магния вводятся под давлением через земляные скважины. Эти твердые пероксиды реагируют с водой с выделением H2О2 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.[5]

Анаэробный

Анаэробная биоремедиация может использоваться для обработки широкого спектра окисленных загрязнителей, включая хлорированные этены (PCE, ТВК, DCE, ВК), хлорированные этаны (TCA, DCA ), хлорметаны (CT, CF ), хлорированные циклические углеводороды, различная энергетика (например, перхлорат,[6] Гексоген, TNT ), 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]) можно восстановить 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, 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 установок, технологии прямого выталкивания или путем выемки грунта и засыпки, например проницаемые реактивные барьеры (PRB) или биостены. 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 (H2) и летучие жирные кислоты (ЛЖК). ЛЖК, включая ацетат, лактат, пропионат и бутират, обеспечивают углерод и энергию для метаболизма бактерий.[7][2]

Тяжелые металлы

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 можно использовать для снижения токсичности и подвижности хрома за счет восстановления шестивалентного хрома Cr (VI) до трехвалентного Cr (III).[9] Уран может быть восстановлен от 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 бывает медленной, если только это не катализируется микробными взаимодействиями.[12] Также ведутся исследования по разработке методов удаления металлов из воды путем усиления сорбции металла стенками клеток.[12] Этот подход был оценен для лечения кадмия,[13] хром,[14] и вести.[15] Процессы фитоэкстракции концентрировать загрязняющие вещества в биомассе для последующего удаления.

Добавки

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.[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

Биоремедиация может использоваться для полной минерализации органических загрязнителей, частичного преобразования загрязнителей или изменения их подвижности. Тяжелые металлы и радионуклиды являются элементами, которые не могут быть подвергнуты биоразложению, но могут быть биотрансформированы в менее подвижные формы.[18][19][20] В некоторых случаях микробы не полностью минерализуют загрязнитель, потенциально производя более токсичное соединение.[20] Например, в анаэробных условиях восстановительное дегалогенирование из ТВК может произвести дихлорэтилен (DCE) и винилхлорид (VC), которые подозреваются или известны канцерогены.[18] Однако микроорганизм Dehalococcoides может дополнительно снизить 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 загрязнителей.[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 зараженном участке обычно проводятся мелкомасштабные испытания.[19] Однако может быть сложно экстраполировать результаты небольших тестовых исследований на большие полевые операции.[22] Во многих случаях биоремедиация занимает больше времени, чем другие альтернативы, такие как насыпь и сжигание.[22][18]

Генная инженерия

Использование генная инженерия Создание организмов, специально предназначенных для биоремедиации, находится в стадии предварительных исследований.[23] В организм могут быть встроены две категории генов: гены деградации, которые кодируют белки, необходимые для разложения загрязнителей, и гены-репортеры, которые могут контролировать уровни загрязнения.[24] Многочисленные члены Псевдомонады также были модифицированы геном lux, но для обнаружения полиароматического углеводородного 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 Закон о контроле над токсичными веществами 1976 года под Агентство по охране окружающей среды США.[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 биолюминесценция гены для визуальной идентификации.[28]

Генетически модифицированные организмы были созданы, чтобы лечить разливы нефти и сломать определенные пластмассы (ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ)[29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Лучшие методы управления экологической реабилитацией: участки с протекающими системами подземных резервуаров. EPA 542-F-11-008» (PDF). EPA. Июнь 2011 г.
  2. ^ а б Введение в биоремедиацию подземных вод in situ (PDF). Агентство по охране окружающей среды США. 2013. с. 30.
  3. ^ а б 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. Дои:10.1016 / j.jhazmat.2010.07.098. ISSN  0304-3894.
  5. ^ Лисон, Андреа (2002). Парадигма конструкции воздушного барботажа. http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA492279: БАТТЕЛЛ КОЛУМБУС ОН.CS1 maint: location (связь)
  6. ^ Коутс Дж, Джексон У (2008). «Принципы лечения перхлоратами». В Stroo H, Ward CH (ред.). Биоремедиация перхлората в подземных водах на месте. Нью-Йорк: Спрингер. С. 29–53. Дои:10.1007/978-0-387-84921-8_3. ISBN  978-0-387-84921-8.
  7. ^ а б 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. ^ R.G. Форд, Р. Уилкин и Р.В. Пульс (2007). Контролируемое естественное ослабление неорганических загрязнителей в подземных 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 (связь)
  9. ^ R.G. Форд, Р. Уилкин и Р.В. Пульс (2007). Мониторинг естественного ослабления неорганических загрязнителей в подземных водах, Том 2 - Оценка нерадионульцидов, включая мышьяк, кадмий, хром, медь, свинец, никель, нитраты, перхлораты и селен (PDF). USEPA.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  10. ^ Уильямс К. Х., Баргар-младший, Ллойд-младший, Ловли Д. Р. (июнь 2013 г.). «Биоремедиация загрязненных ураном подземных вод: системный подход к подземной биогеохимии». Текущее мнение в области биотехнологии. 24 (3): 489–97. Дои:10.1016 / j.copbio.2012.10.008. PMID  23159488.
  11. ^ R.G. Форд и Р. Вилкин (2007). Контролируемое естественное ослабление 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. ^ а б 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. ^ Ансари М.И., Малик А. (ноябрь 2007 г.). «Биосорбция никеля и кадмия металлостойкими бактериальными изолятами из сельскохозяйственных почв, орошаемых промышленными сточными водами». Биоресурсные технологии. 98 (16): 3149–53. Дои:10.1016 / j.biortech.2006.10.008. PMID  17166714.
  14. ^ Durán U, Coronado-Apodaca KG, Meza-Escalante ER, Ulloa-Mercado G, Serrano D (май 2018 г.). «Два комбинированных механизма, ответственных за удаление шестивалентного хрома на активном анаэробном гранулированном консорциуме». Атмосфера. 198: 191–197. Bibcode:2018Чмсп.198..191Д. Дои: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. Дои:10.1007 / s00284-004-4459-4. PMID  15886913.
  16. ^ Адамс, Омохагбор (28 февраля 2015 г.). «Биоремедиация, биостимуляция и биоаугментация: обзор». Международный журнал экологической биоремедиации и биодегредации. 3 (1): 28–39 - через Research Gate.
  17. ^ Slonczewski, J.L. (2009). «Стрессовые реакции: pH». В Шехтере, Мозелио (ред.). Энциклопедия микробиологии (3-е изд.). Эльзевир. С. 477–484. Дои:10.1016 / B978-012373944-5.00100-0. ISBN  978-0-12-373944-5.
  18. ^ а б c d е ж Джуваркар А.А., Сингх С.К., Мудху А. (2010). «Комплексный обзор элементов биоремедиации». Обзоры в области наук об окружающей среде и био / технологий. 9 (3): 215–88. Дои:10.1007 / s11157-010-9215-6.
  19. ^ а б c Бупатия, Р. (2000). «Факторы, ограничивающие технологии биоремедиации». Биоресурсные технологии. 74: 63–7. Дои:10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
  20. ^ а б 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 (связь)
  21. ^ Маймо-Гатель, Ксавьер; 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. Дои:10.1126 / science.276.5318.1568. ISSN  0036-8075. PMID  9171062.
  22. ^ а б c d е Видали, М. (2001). «Биоремедиация. Обзор» (PDF). Чистая и прикладная химия. 73 (7): 1163–72. Дои:10.1351 / pac200173071163.
  23. ^ Ловли Д.Р. (октябрь 2003 г.). «Очистка с помощью геномики: применение молекулярной биологии к биоремедиации». Обзоры природы. Микробиология. 1 (1): 35–44. Дои:10.1038 / nrmicro731. PMID  15040178.
  24. ^ Менн Ф, Истер Дж. П., Сэйлер Г. С. (2001). «Генетически модифицированные микроорганизмы и биоремедиация». Набор биотехнологий. С. 441–63. Дои: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». Экологические науки и технологии. 34 (5): 846–53. Bibcode:2000EnST ... 34..846R. Дои:10.1021 / es9908319.
  26. ^ а б Дэвисон Дж (декабрь 2005 г.). «Снижение риска генетически модифицированных бактерий и растений, предназначенных для биоремедиации». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии. 32 (11–12): 639–50. Дои:10.1007 / s10295-005-0242-1. PMID  15973534.
  27. ^ Sayler GS, Ripp S (июнь 2000 г.). «Полевые применения генно-инженерных микроорганизмов для процессов биоремедиации». Текущее мнение в области биотехнологии. 11 (3): 286–9. Дои:10.1016 / S0958-1669 (00) 00097-5. PMID  10851144.
  28. ^ Шанкер Р., Пурохит Х. Дж., Ханна П. (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 экономики замкнутого цикла с использованием синтетической биологии

внешняя ссылка