BIOREMEDIATION: EIGENSCHAFTEN, TYPEN, VOR- UND NACHTEILE - BIOLOGIE - 2025

Die Bioremediation ist eine Reihe von sanitären Biotechnologien, bei denen die metabolischen Fähigkeiten von bakteriellen Mikroorganismen, Pilzen, Pflanzen und / oder isolierten Enzymen genutzt werden, um Verunreinigungen in Boden und Wasser zu entfernen.

Mikroorganismen (Bakterien und Pilze) und einige Pflanzen können eine Vielzahl von umweltschädlichen und toxischen organischen Verbindungen biotransformieren, bis sie harmlos oder harmlos werden. Sie können sogar einige organische Verbindungen zu ihren einfachsten Formen wie Methan (CH ₄ ) und Kohlendioxid (CO ₂ ) biologisch abbauen .

Abbildung 1. Umweltverschmutzung durch Ölverschmutzung, die später mit Bioremediation behandelt wurde. Quelle: commons.wikimedia.org

Einige Mikroorganismen und Pflanzen können auch toxische chemische Elemente wie Schwermetalle in der Umwelt (in situ) extrahieren oder immobilisieren. Durch die Immobilisierung der giftigen Substanz in der Umwelt steht sie lebenden Organismen nicht mehr zur Verfügung und beeinträchtigt sie daher nicht.

Daher ist die Verringerung der Bioverfügbarkeit eines toxischen Stoffes auch eine Form der biologischen Sanierung, obwohl dies nicht die Entfernung des Stoffes aus der Umwelt bedeutet.

Derzeit besteht ein wachsendes wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse an der Entwicklung wirtschaftlicher und umweltfreundlicher (oder „umweltfreundlicher“) Technologien wie der biologischen Sanierung von Oberflächen- und Grundwasser, Schlamm und kontaminierten Böden.

Merkmale der Bioremediation

Kontaminanten, die bioremediiert werden können

Zu den Schadstoffen, die bioremediiert wurden, gehören unter anderem Schwermetalle, radioaktive Substanzen, toxische organische Schadstoffe, explosive Substanzen, organische Verbindungen aus Öl (polyaromatische Kohlenwasserstoffe oder HPAs) und Phenole.

Physikochemische Bedingungen während der Bioremediation

Da Bioremediationsprozesse von der Aktivität von Mikroorganismen und lebenden Pflanzen oder ihren isolierten Enzymen abhängen, müssen für jeden Organismus oder jedes Enzymsystem die geeigneten physikochemischen Bedingungen eingehalten werden, um ihre Stoffwechselaktivität im Bioremediationsprozess zu optimieren.

Faktoren, die während des gesamten Bioremediationsprozesses optimiert und beibehalten werden müssen

-Die Konzentration und Bioverfügbarkeit des Schadstoffs unter Umweltbedingungen: Wenn er zu hoch ist, kann er für dieselben Mikroorganismen schädlich sein, die sie biotransformieren können.

-Feuchtigkeit: Die Verfügbarkeit von Wasser ist für lebende Organismen sowie für die enzymatische Aktivität zellfreier biologischer Katalysatoren von wesentlicher Bedeutung. Im Allgemeinen sollte in Böden, die einer Bioremediation unterzogen werden, eine relative Luftfeuchtigkeit von 12 bis 25% eingehalten werden.

-Temperatur: Sie muss in dem Bereich liegen, der das Überleben der angewendeten Organismen und / oder die erforderliche enzymatische Aktivität ermöglicht.

-Die bioverfügbaren Nährstoffe: essentiell für das Wachstum und die Vermehrung der interessierenden Mikroorganismen. Hauptsächlich müssen Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff sowie einige wichtige Mineralien kontrolliert werden.

-Die Säure oder Alkalität des wässrigen Mediums oder der pH-Wert (Messung von H ⁺ -Ionen im Medium).

-Die Verfügbarkeit von Sauerstoff: Bei den meisten Bioremediationstechniken werden aerobe Mikroorganismen verwendet (z. B. bei Kompostierung, Biopiles und „Landfarming“), und eine Belüftung des Substrats ist erforderlich. Anaerobe Mikroorganismen können jedoch in Bioremediationsprozessen unter sehr kontrollierten Bedingungen im Labor (unter Verwendung von Bioreaktoren) verwendet werden.

Arten der Bioremediation

Zu den angewandten Biotechnologien für die Bioremediation gehören:

Biostimulation

Die Biostimulation besteht in der In-situ-Stimulation der bereits in der kontaminierten Umgebung vorhandenen Mikroorganismen (autochthone Mikroorganismen), die in der Lage sind, die kontaminierende Substanz biologisch zu sanieren.

In-situ-Biostimulation wird erreicht, indem die physikochemischen Bedingungen für den gewünschten Prozess optimiert werden, d. H. Unter anderem pH-Wert, Sauerstoff, Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Zugabe der notwendigen Nährstoffe.

Bioaugmentation

Bei der Bioaugmentation wird die Menge der interessierenden Mikroorganismen (vorzugsweise autochthon) erhöht, da ihre im Labor gezüchteten Inokula hinzugefügt werden.

Sobald die interessierenden Mikroorganismen in situ geimpft wurden, müssen anschließend die physikochemischen Bedingungen (wie bei der Biostimulation) optimiert werden, um die Abbauaktivität der Mikroorganismen zu fördern.

Für die Anwendung der Bioaugmentation müssen die Kosten der mikrobiellen Kultur in Bioreaktoren im Labor berücksichtigt werden.

Sowohl die Biostimulation als auch die Bioaugmentation können mit allen anderen nachstehend beschriebenen Biotechnologien kombiniert werden.

Kompostierung

Die Kompostierung besteht aus dem Mischen des kontaminierten Materials mit nicht kontaminiertem Boden, der mit Pflanzen- oder Tierzuchtmitteln und Nährstoffen ergänzt ist. Diese Mischung bildet bis zu 3 m hohe Zapfen im Abstand voneinander.

Die Sauerstoffversorgung der unteren Kegelschichten muss durch regelmäßige Entfernung von einer Stelle zur anderen mit Maschinen kontrolliert werden. Optimale Bedingungen für Feuchtigkeit, Temperatur, pH-Wert und Nährstoffe müssen ebenfalls eingehalten werden.

Biopiles

Die Bioremediationstechnik mit Biopiles ist dieselbe wie die oben beschriebene Kompostierungstechnik, außer:

• Das Fehlen von Züchtungsmitteln pflanzlichen oder tierischen Ursprungs.
• Beseitigung der Belüftung durch Bewegung von einem Ort zum anderen.

Die Biopiles bleiben an derselben Stelle fixiert und werden in ihren inneren Schichten durch ein Rohrsystem belüftet, dessen Installations-, Betriebs- und Wartungskosten bereits in der Entwurfsphase des Systems berücksichtigt werden müssen.

Landhaltung

Die Biotechnologie namens „Landfarming“ (übersetzt aus dem Englischen: Bodenbearbeitung) besteht darin, das kontaminierte Material (Schlamm oder Sediment) mit den ersten 30 cm nicht kontaminiertem Boden einer großen Fläche zu mischen.

In diesen ersten Zentimetern des Bodens wird der Abbau von Schadstoffen aufgrund seiner Belüftung und Vermischung begünstigt. Für diese Aufgaben werden landwirtschaftliche Maschinen wie Pflugschlepper eingesetzt.

Der Hauptnachteil der Landbewirtschaftung besteht darin, dass notwendigerweise große Landstriche erforderlich sind, die für die Lebensmittelproduktion verwendet werden könnten.

Phytoremediation

Die Phytoremediation, auch als Mikroorganismus und pflanzenunterstützte Bioremediation bezeichnet, ist eine Reihe von Biotechnologien, die auf der Verwendung von Pflanzen und Mikroorganismen basieren, um die Toxizität von Schadstoffen in Oberflächen- oder Grundgewässern, Schlamm und Böden zu entfernen, einzuschränken oder zu verringern.

Während der Phytoremediation kann es zu einem Abbau, einer Extraktion und / oder einer Stabilisierung (Abnahme der Bioverfügbarkeit) des Schadstoffs kommen. Diese Prozesse hängen von den Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroorganismen ab, die sehr nahe an ihren Wurzeln in einem Gebiet leben, das als Rhizosphäre bezeichnet wird.

Abbildung 2. Bioremediation von mit Pflanzen und Mikroorganismen kontaminiertem Wasser. Quelle: Wikyhelper, aus Wikimedia Commons

Die Phytoremediation war besonders erfolgreich bei der Entfernung von Schwermetallen und radioaktiven Substanzen aus Böden und Oberflächen- oder Grundwasser (oder der Rhizofiltration von kontaminiertem Wasser).

In diesem Fall sammeln die Pflanzen die Metalle aus der Umwelt in ihren Geweben an und werden dann unter kontrollierten Bedingungen geerntet und verbrannt, so dass der Schadstoff nicht mehr in der Umwelt verteilt, sondern in Form von Asche konzentriert wird.

Die erhaltene Asche kann behandelt werden, um das Metall wiederzugewinnen (wenn dies von wirtschaftlichem Interesse ist), oder kann an Orten entsorgt werden, an denen der Abfall endgültig entsorgt wird.

Ein Nachteil der Phytoremediation ist die mangelnde Kenntnis der Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Organismen (Pflanzen, Bakterien und möglicherweise Mykorrhizapilze).

Andererseits müssen Umweltbedingungen eingehalten werden, die den Bedürfnissen aller angewandten Organismen entsprechen.

Bioreaktoren

Bioreaktoren sind Behälter von beträchtlicher Größe, die es ermöglichen, sehr kontrollierte physikalisch-chemische Bedingungen in wässrigen Kulturmedien aufrechtzuerhalten, um einen interessierenden biologischen Prozess zu begünstigen.

Bakterielle Mikroorganismen und Pilze können im Labor in Bioreaktoren in großem Maßstab kultiviert und dann in in situ Bioaugmentationsprozessen angewendet werden. Mikroorganismen können auch im Interesse der Gewinnung ihrer schadstoffabbauenden Enzyme kultiviert werden.

Bioreaktoren werden in Ex-situ-Bioremediationsprozessen eingesetzt, indem das kontaminierte Substrat mit dem mikrobiellen Kulturmedium gemischt wird, was den Abbau der Verunreinigung begünstigt.

In Bioreaktoren gezüchtete Mikroorganismen können sogar anaerob sein. In diesem Fall muss das wässrige Kulturmedium frei von gelöstem Sauerstoff sein.

Abbildung 3. Bioreaktor. Quelle: es.m.wikipedia.org

Unter den Biotechnologien für die Bioremediation ist die Verwendung von Bioreaktoren aufgrund der Wartung der Geräte und der Anforderungen an die mikrobielle Kultur relativ teuer.

Mikroremediation

Die Verwendung von Pilzmikroorganismen (mikroskopisch kleinen Pilzen) bei Bioremediationsprozessen eines toxischen Schadstoffs wird als Mykorremediation bezeichnet.

Es sollte berücksichtigt werden, dass die Kultivierung von mikroskopisch kleinen Pilzen normalerweise komplexer ist als die von Bakterien und daher höhere Kosten mit sich bringt. Darüber hinaus wachsen und vermehren sich Pilze langsamer als Bakterien, wobei die pilzunterstützte Bioremediation ein langsamerer Prozess ist.

Bioremediation versus konventionelle physikalische und chemische Technologien

-Vorteil

Bioremediationsbiotechnologien sind viel wirtschaftlicher und umweltfreundlicher als herkömmlich angewandte chemische und physikalische Umwelthygienetechnologien.

Dies bedeutet, dass die Anwendung der Bioremediation eine geringere Umweltbelastung hat als herkömmliche physikalisch-chemische Verfahren.

Andererseits können einige der Mikroorganismen, die bei Bioremediationsprozessen eingesetzt werden, sogar die umweltschädlichen Verbindungen mineralisieren und so deren Verschwinden aus der Umwelt sicherstellen, was mit herkömmlichen physikochemischen Prozessen in einem einzigen Schritt nur schwer zu erreichen ist.

-Nachteile und Aspekte zu berücksichtigen

In der Natur vorhandene mikrobielle Stoffwechselkapazitäten

Da nur 1% der in der Natur vorhandenen Mikroorganismen isoliert wurden, besteht eine Einschränkung der biologischen Sanierung genau in der Identifizierung von Mikroorganismen, die in der Lage sind, eine bestimmte kontaminierende Substanz biologisch abzubauen.

Mangelnde Kenntnis des angewandten Systems

Andererseits arbeitet die Bioremediation mit einem komplexen System von zwei oder mehr lebenden Organismen, das im Allgemeinen nicht vollständig verstanden wird.

Einige der untersuchten Mikroorganismen haben Schadstoffe in noch giftigere Nebenprodukte biotransformiert. Aus diesem Grund ist es notwendig, Bioremediationsorganismen und ihre Wechselwirkungen zuvor im Labor eingehend zu untersuchen.

Darüber hinaus müssen kleine Pilotversuche (vor Ort) durchgeführt werden, bevor sie massenhaft angewendet werden, und schließlich müssen die Bioremediationsprozesse vor Ort überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Umwelthygiene korrekt erfolgt.

Extrapolation der im Labor erzielten Ergebnisse

Aufgrund der hohen Komplexität biologischer Systeme können im Labor im kleinen Maßstab erzielte Ergebnisse nicht immer auf Feldprozesse hochgerechnet werden.

Besonderheiten jedes Bioremediationsprozesses

Jeder Bioremediationsprozess beinhaltet einen spezifischen Versuchsaufbau, der den besonderen Bedingungen der kontaminierten Stelle, der Art der zu behandelnden Kontaminante und den anzuwendenden Organismen entspricht.

Es ist dann notwendig, dass diese Prozesse von interdisziplinären Gruppen von Spezialisten geleitet werden, zu denen unter anderem Biologen, Chemiker, Ingenieure gehören müssen.

Die Aufrechterhaltung der physikochemischen Umweltbedingungen zur Förderung des Wachstums und der Stoffwechselaktivität von Interesse impliziert eine permanente Arbeit während des Bioremediationsprozesses.

Erforderliche Zeit

Schließlich können Bioremediationsprozesse länger dauern als herkömmliche physikalisch-chemische Prozesse.

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