Úloha mikroorganismů v bioremediaci – přehled

Úvod

Mikroorganismy jsou v biosféře široce rozšířené, protože jejich metabolické schopnosti jsou velmi působivé a mohou snadno růst v široké škále podmínek prostředí. Nutriční všestrannost mikroorganismů lze také využít k biodegradaci znečišťujících látek. Tento druh procesu se označuje jako bioremediace. Pokračuje na základě schopnosti určitých mikroorganismů přeměňovat, modifikovat a využívat toxické polutanty za účelem získání energie a produkce biomasy v procesu . Namísto pouhého shromažďování polutantů a jejich skladování je bioremediace mikrobiologická dobře organizovaná procesní činnost, která se používá k rozkladu nebo přeměně kontaminantů na méně toxické nebo netoxické formy prvků a sloučenin. Bioremediační prostředky jsou biologická činidla používaná k bioremediaci za účelem vyčištění kontaminovaných míst. Bakterie, archea a houby jsou typickými hlavními bioremediačními činiteli . Aplikace bioremediace jako biotechnologického procesu zahrnujícího mikroorganismy pro řešení a odstraňování nebezpečí mnoha znečišťujících látek prostřednictvím biodegradace z životního prostředí. Pojmy bioremediace a biodegradace jsou spíše zaměnitelná slova. Mikroorganismy působí jako významný nástroj pro odstraňování polutantů v půdě, vodě a sedimentech; především díky své výhodě oproti jiným sanačním procedurálním protokolům. Mikroorganismy obnovují původní přírodní prostředí a zabraňují dalšímu znečištění . Cílem přehledu je vyjádřit současný trend aplikace/úlohy mikroorganismů na bioremediaci a přispět relevantními podklady, které jsou identifikovanými mezerami v této tematické oblasti. Presently, it is hot research area because microorganism are eco-friendly and promising valuable genetic material to solve environmental threats.

Factors affecting microbial bioremediation

Bioremediace se zabývá rozkladem, odstraňováním, změnou, imobilizací nebo detoxikací různých chemických látek a fyzikálních odpadů z prostředí působením bakterií, hub a rostlin. Mikroorganismy se zapojují prostřednictvím svých enzymatických drah, působí jako biokatalyzátory a usnadňují průběh biochemických reakcí, které rozkládají požadované znečišťující látky. Mikroorganismy působí proti znečišťujícím látkám pouze tehdy, když mají přístup k různým materiálovým sloučeninám, které jim pomáhají vytvářet energii a živiny pro stavbu dalších buněk. Účinnost bioremediace závisí na mnoha faktorech; včetně chemické povahy a koncentrace znečišťujících látek, fyzikálně-chemických vlastností prostředí a jejich dostupnosti pro mikroorganismy . Důvodem ovlivnění rychlosti rozkladu je skutečnost, že bakterie a znečišťující látky spolu nepřicházejí do kontaktu. Kromě toho nejsou mikroby a znečišťující látky v prostředí rovnoměrně rozšířeny. Řízení a optimalizace bioremediačních procesů je vzhledem k mnoha faktorům složitý systém. Mezi tyto faktory patří: existence mikrobiální populace schopné degradovat polutanty, dostupnost kontaminantů pro mikrobiální populaci a faktory prostředí (typ půdy, teplota, pH, přítomnost kyslíku nebo jiných akceptorů elektronů a živin).

Biologické faktory

Biotické faktory ovlivňují rozklad organických sloučenin prostřednictvím konkurence mezi mikroorganismy o omezené zdroje uhlíku, antagonistických interakcí mezi mikroorganismy nebo predace mikroorganismů prvoky a bakteriofágy. Rychlost rozkladu kontaminantu často závisí na koncentraci kontaminantu a množství přítomného „katalyzátoru“. V tomto kontextu množství „katalyzátoru“ představuje počet organismů schopných metabolizovat kontaminant a také množství enzymů produkovaných každou buňkou. Exprese specifických enzymů buňkami může zvýšit nebo snížit rychlost rozkladu kontaminantu. Dále je do značné míry zapotřebí, aby se na metabolismu kontaminantu podílely specifické enzymy a jejich „afinita“ ke kontaminantu a také dostupnost kontaminantu. Patří sem hlavní biologické faktory: mutace, horizontální přenos genů, aktivita enzymů, interakce (konkurence, sukcese a predace), vlastní růst až do dosažení kritické biomasy, velikost a složení populace .

Faktory prostředí

Metabolické vlastnosti mikroorganismů a fyzikálně-chemické vlastnosti cílových kontaminantů určují možné interakce během procesu. Skutečná úspěšná interakce mezi nimi; závisí však na podmínkách prostředí v místě interakce. Růst a aktivitu mikroorganismů ovlivňují pH, teplota, vlhkost, struktura půdy, rozpustnost ve vodě, živiny, vlastnosti lokality, redoxní potenciál a obsah kyslíku, nedostatek vyškolených lidských zdrojů v této oblasti a fyzikálně-chemická biologická dostupnost znečišťujících látek (koncentrace, typ, rozpustnost, chemická struktura a toxicita kontaminantů). Tyto výše uvedené faktory určují kinetiku rozkladu . Biodegradace může probíhat v širokém rozmezí pH, nicméně pH 6,5 až 8,5 je obecně optimální pro biodegradaci ve většině vodních a suchozemských systémů. Vlhkost ovlivňuje rychlost metabolismu kontaminantů, protože ovlivňuje druh a množství dostupných rozpustných látek a také osmotický tlak a pH suchozemských a vodních systémů . Většina faktorů prostředí je uvedena níže.

Dostupnost živin

Přídavek živin upravuje základní bilanci živin pro mikrobiální růst a reprodukci a má také vliv na rychlost a účinnost biodegradace. Vyvážení živin, zejména přísun základních živin, jako jsou N a P, může zlepšit účinnost biodegradace optimalizací poměru C: N: P u bakterií. Aby mikroorganismy přežily a pokračovaly ve své mikrobiální činnosti, potřebují řadu živin, jako je uhlík, dusík a fosfor. V malých koncentracích také omezují rozsah rozkladu uhlovodíků. Přídavek vhodného množství živin je výhodnou strategií pro zvýšení metabolické aktivity mikroorganismů, a tím i míry biodegradace v chladném prostředí . Biodegradace ve vodním prostředí je omezena dostupností živin . Podobně jako výživové potřeby jiných organismů, i ropu požírající mikrobi potřebují k optimálnímu růstu a vývoji živiny. Tyto živiny jsou v přírodním prostředí dostupné, ale vyskytují se v malém množství .

Teplota

Ze všech fyzikálních faktorů je pro určení přežití mikroorganismů a složení uhlovodíků nejdůležitější teplota . V chladném prostředí, jako je Arktida, je rozklad ropy prostřednictvím přirozených procesů velmi pomalý a na mikroby je vyvíjen větší tlak, aby uniklou ropu vyčistili. Teplota vody pod bodem mrazu v této oblasti způsobuje uzavření transportních kanálů v mikrobiálních buňkách nebo může dokonce dojít k zamrznutí celé cytoplazmy, čímž se většina oleofilních mikrobů stává metabolicky neaktivní . Biologické enzymy, které se podílejí na degradační cestě, mají optimální teplotu a nebudou mít stejný metabolický obrat pro každou teplotu. Navíc degradační proces pro určitou sloučeninu potřebuje specifickou teplotu. Teplota také urychluje nebo zpomaluje proces bioremediace, protože silně ovlivňuje fyziologické vlastnosti mikrobů. Rychlost mikrobiálních aktivit se s teplotou zvyšuje a při optimální teplotě dosahuje maximální úrovně. S dalším zvyšováním nebo snižováním teploty se náhle snižuje a nakonec se po dosažení určité teploty zastaví.

Koncentrace kyslíku

Různé organismy vyžadují kyslík jiné také kyslík nevyžadují, což na základě jejich požadavků usnadňuje rychlost biodegradace lepším způsobem. Biologická degradace probíhá v aerobních a anaerobních podmínkách, protože kyslík je pro většinu živých organismů plynnou potřebou. Přítomnost kyslíku může ve většině případů zlepšit metabolismus uhlovodíků .

Obsah vlhkosti

Mikroorganismy potřebují ke svému růstu dostatek vody. Obsah vlhkosti v půdě má nepříznivý vliv u činitelů biodegradace.

pH

pH sloučeniny, což je kyselost, zásaditost a alkalita povahy sloučeniny, má svůj vliv na mikrobiální metabolickou aktivitu a také zvyšuje a snižuje proces odstraňování. Měření pH v půdě může indikovat potenciál pro mikrobiální růst . Vyšší nebo nižší hodnoty pH vykazovaly horší výsledky; metabolické procesy jsou velmi citlivé i na nepatrné změny pH .

Harakterizace a výběr lokality

Před návrhem bioremediačního nápravného opatření je třeba provést dostatečné sanační průzkumné práce, aby bylo možné adekvátně charakterizovat velikost a rozsah kontaminace. Tyto práce by měly zahrnovat minimálně následující faktory: úplné určení horizontálního a vertikálního rozsahu kontaminace, seznam parametrů a míst, z nichž mají být odebrány vzorky, a zdůvodnění jejich výběru, popis metod, které mají být použity pro získávání vzorků a provádění analýz.

Kovové ionty

Kovy jsou v malém množství důležité pro bakterie a houby, ale ve velkém množství inhibují metabolickou aktivitu buněk. Sloučeniny kovů mají přímý i nepřímý vliv na rychlost rozkladu.

Toxické sloučeniny

Při vysokých koncentracích toxické povahy některých kontaminantů mohou vytvářet toxické účinky na mikroorganismy a zpomalovat dekontaminaci. Stupeň a mechanismy toxicity se liší podle konkrétních toxických látek, jejich koncentrace a vystavených mikroorganismů. Některé organické a anorganické sloučeniny jsou toxické pro cílové formy života .

Princip bioremediace

Bioremediace je definována jako proces, při kterém jsou organické odpady za kontrolovaných podmínek biologicky rozloženy do neškodného stavu nebo na úrovně pod koncentračními limity stanovenými regulačními orgány. Mikroorganismy jsou pro úkol ničení kontaminantů vhodné, protože disponují enzymy, které jim umožňují využívat kontaminanty prostředí jako potravu. Cílem bioremediace je podpořit jejich činnost dodáváním optimálních hladin živin a dalších chemických látek nezbytných pro jejich metabolismus za účelem rozkladu/detoxikace látek, které jsou nebezpečné pro životní prostředí a živé organismy. Všechny metabolické reakce jsou zprostředkovány enzymy. Ty patří do skupin oxidoreduktáz, hydroláz, lyáz, transferáz, izomeráz a ligáz. Mnoho enzymů má díky své nespecifické a specifické afinitě k substrátu pozoruhodně širokou schopnost degradace. Aby byla bioremediace účinná, musí mikroorganismy enzymaticky napadat znečišťující látky a přeměňovat je na neškodné produkty. Protože bioremediace může být účinná pouze tam, kde podmínky prostředí umožňují růst a aktivitu mikroorganismů, její aplikace často zahrnuje manipulaci s parametry prostředí, aby růst a degradace mikroorganismů probíhaly rychleji .

Bioremediace probíhá přirozeně a je podporována přídavkem živých organismů a hnojiv. Technologie bioremediace je v zásadě založena na biodegradaci. Vztahuje se na úplné odstranění organických toxických znečišťujících látek na neškodné nebo přirozeně se vyskytující sloučeniny, jako je oxid uhličitý, voda, anorganické sloučeniny, které jsou bezpečné pro člověka, zvířata, rostliny a vodní organismy . Byly objasněny četné mechanismy a cesty biodegradace nejrůznějších organických sloučenin; například je dokončena v přítomnosti i nepřítomnosti kyslíku.

Výhody bioremediace

-Jedná se o přirozený proces, který trvá krátkou dobu, jako přijatelný proces zpracování odpadu pro kontaminovaný materiál, například půdu. Mikrobi jsou schopni rozkládat kontaminant a jejich počet se při přítomnosti kontaminantu zvyšuje. Když je kontaminant rozložen, biodegradační populace začne klesat. Zbytky po zpracování jsou obvykle neškodné produkty zahrnující vodu oxid uhličitý a buněčnou biomasu.

-It vyžaduje velmi malé úsilí a často může být prováděn přímo na místě, často bez většího narušení běžných činností. Tím také odpadá nutnost přepravy množství odpadu mimo lokalitu a potenciální ohrožení lidského zdraví a životního prostředí, které může při přepravě vzniknout.

-It se uplatňuje v nákladově efektivním procesu, protože se při něm ztrácí méně než při jiných konvenčních metodách (technologiích), které se používají pro čištění nebezpečných odpadů. Důležitá metoda pro úpravu míst kontaminovaných ropnými látkami .

-It také pomáhá při úplném zničení znečišťujících látek, mnoho nebezpečných sloučenin lze přeměnit na neškodné produkty a tato vlastnost také eliminuje možnost budoucí odpovědnosti spojené s úpravou a likvidací kontaminovaného materiálu.

-It nepoužívá žádné nebezpečné chemické látky. Živiny, zejména hnojiva, se přidávají za účelem aktivního a rychlého mikrobiálního růstu. Běžně se používá na trávníky a zahrady. Díky bioremediaci se škodlivé chemikálie mění na vodu a neškodné plyny, škodlivé chemikálie jsou zcela zničeny .

-Jednoduché, méně pracné a levné díky své přirozené roli v životním prostředí.

-Ekologicky šetrné a udržitelné .

-Kontaminanty jsou zničeny, nikoliv pouze přeneseny do jiných environmentálních médií.

-Nerušivé, což potenciálně umožňuje další využití lokality.

-Relativně snadné provedení .

-Efektivní způsob sanace přírodního ekosystému od řady kontaminantů a působí jako možnost šetrná k životnímu prostředí .

Nevýhody bioremediace

-Je omezena na ty sloučeniny, které jsou biologicky odbouratelné. Ne všechny sloučeniny jsou náchylné k rychlému a úplnému rozkladu.

-Vznikají obavy, že produkty biodegradace mohou být perzistentnější nebo toxičtější než výchozí sloučenina.

-Biologické procesy jsou často vysoce specifické. Mezi důležité faktory lokality, které jsou nezbytné pro úspěch, patří přítomnost metabolicky schopných mikrobiálních populací, vhodné podmínky růstu v prostředí a vhodné hladiny živin a kontaminantů.

-It it is difficult to extrapolate from bench and pilot-scale studies to full-scale field operations.

-Research is needed to develop and engineer bioremediation technologies that are suitable for sites with complex mixtures of contaminants that are not evenly dispersed in the environment. Kontaminanty mohou být přítomny ve formě pevných látek, kapalin a plynů.

-Často trvá déle než jiné možnosti zpracování, jako je výkop a odstranění zeminy nebo spalování.

•Regulatory uncertainty remains regarding acceptable performance criteria for bioremediation. There is no accepted definition of „clean“, evaluating performance of bioremediation is difficult.

Microorganisms and pollutants (Tables 1-5)
Table 1: Microorganisms and Hydrocarbon (organic compound) interaction.
Microorganisms Compound Reference
Penicillium chrysogenum Monocyclic aromatic hydro carbons, benzene, toluene, ethyl benzene and xylene ,phenol compounds
P. alcaligenes P. mendocina and P. putida P. veronii, Achromobacter, Flavobacterium, Acinetobacter Petrol and diesel polycyclic aromatic hydrocarbons toluene
Pseudomonas putida Monocyclic aromatic hydrocarbons, e.g. benzene and xylene.
Phanerochaete chrysosporium Biphenyl and triphenylmethane
A. niger, A. fumigatus, F. solani and P. funiculosum Hydrocarbon
Coprinellus radians PAHs, methylnaphthalenes, and dibenzofurans
Alcaligenes odorans, Bacillus subtilis, Corynebacterium propinquum, Pseudomonas aeruginosa phenol
Tyromyces palustris, Gloeophyllum trabeum, Trametes versicolor hydrocarbons
Candida viswanathii Phenanthrene, benzopyrene
cyanobacteria, green algae and diatoms and Bacillus licheniformis naphtalene
Acinetobacter sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp. and Microbacterium sp, aromatic hydrocarbons
Gleophyllum striatum striatum Pyrene, anthracene, 9- metil anthracene, Dibenzothiophene Lignin peroxidasse
Acinetobacter sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp. and Microbacterium sp, aromatic hydrocarbons
Gleophyllum striatum striatum Pyrene, anthracene, 9- metil anthracene, Dibenzothiophene Lignin peroxidasse
Acinetobacter sp., Pseudomonas sp., Ralstonia sp. and Microbacterium sp, aromatic hydrocarbons
Gleophyllum striatum striatum Pyrene, anthracene, 9- metil anthracene, Dibenzothiophene Lignin peroxidasse
Table 2: Groups of microorganisms important for oil bioremediation.
Microorganisms Compound Reference
Fusariumsp. oil
Alcaligenes odorans, Bacillus subtilis, Corynebacterium propinquum, Pseudomonas aeruginosa oil
Bacillus cereus A diesel oil
Aspergillus niger, Candida glabrata, Candida krusei and Saccharomyces cerevisiae crude oil
B. brevis, P. aeruginosa KH6, B. licheniformis and B. sphaericus crude oil
Pseudomonas aeruginosa, P. putida, Arthobacter sp and Bacillus sp diesel oil
Pseudomonas cepacia, Bacillus cereus, Bacillus coagulans, Citrobacter koseri and Serratia ficaria diesel oil, crude oil
Table 3: Representative examples of most dominate microorganisms in the involvement of dyes bioremadation.
Microorganisms Compound Reference
B. subtilis strain NAP1, NAP2, NAP4 oil-based based paints
Myrothecium roridum IM 6482 industrial dyes
Pycnoporus sanguineous, Phanerochaete chrysosporium and Trametes trogii industrial dyes
Penicillium ochrochloron industrial dyes
Micrococcus luteus, Listeria denitrificans and Nocardia atlantica Textile Azo Dyes
Bacillus spp. ETL-2012, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus pumilus HKG212 Textile Dye (Remazol Black B), Sulfonated di-azo dye Reactive Red HE8B, RNB dye
Exiguobacterium indicum, Exiguobacterium aurantiacums, Bacillus cereus and Acinetobacter baumanii azo dyes effluents
Bacillus firmus, Bacillus macerans, Staphylococcus aureus and Klebsiella oxytoca vat dyes, Textile effluents

Table 4: Microorganisms serve for utilizing heavy metals.
Microorganisms Compound Reference
Saccharomyces cerevisiae Heavy metals, lead, mercury and nickel
Cunninghamella elegans Heavy metals
Pseudomonas fluorescensand Pseudomonas aeruginosa Fe 2+, Zn2+, Pb2+, Mn2+ and Cu2
Lysinibacillus sphaericusCBAM5 cobalt, copper, chromium and lead
Microbacterium profundi strain Shh49T Fe
Aspergillus versicolor, A. fumigatus, Paecilomyces sp., Paecilomyces sp., Terichoderma sp., Microsporum sp., Cladosporium sp. cadmium
Geobacter spp. Fe (III), U (VI)
Bacillus safensis (JX126862) strain (PB-5 and RSA-4) Cadmium
Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas sp. U, Cu, Ni, Cr
Aerococcussp., Rhodopseudomonas palustris Pb, Cr, Cd
Table 5: Potential biological agents for pesticides.
Microorganisms Compound Reference
Bacillus, Staphylococcus Endosulfan
Enterobacter Chlorpyrifos
Pseudomonas putida, Acinetobacter sp., Arthrobacter sp. Ridomil MZ 68 MG, Fitoraz WP 76, Decis 2.5 EC, malation
Acenetobactor sp., Pseudomonas sp., Enterobacter sp. and Photobacterium sp. chlorpyrifos and methyl parathion

Heavy metals cannot be destroyed biologically („no degradation“, changes occur in the nuclear structure of the element), but only transformed from one oxidation state or organic complex to another. Besides, bacteria are also efficient in heavy metals bioremediation. Microorganisms have developed the capabilities to protect themselves from heavy metal toxicity by various mechanisms, such as adsorption, uptake, methylation, oxidation and reduction. Mikroorganismy přijímají těžké kovy aktivně (bioakumulace) a/nebo pasivně (adsorpce). Mikrobiální methylace hraje při bioremediaci těžkých kovů důležitou roli, protože methylované sloučeniny jsou často těkavé. Například rtuť, Hg (II), může být biometylována řadou různých druhů bakterií Alcaligenes faecalis, Bacillus pumilus, Bacillus sp., P. aeruginosa a Brevibacterium iodinium na plynnou metylrtuť .

Typy bioremediace

Existují různé typy technologií či technik zpracování v rámci bioremediačních procesů. Základní bioremediační metody jsou následující: biostimulace, atenuace, augmentace, venting a piloty.

Biostimulace

Tento druh strategie je spojen s injektáží specifických živin do lokality (půdy/podzemní vody) za účelem stimulace aktivity původních mikroorganismů. Zaměřuje se na stimulaci původních nebo přirozeně existujících společenstev bakterií a hub. Jednak dodáváním hnojiv, růstových doplňků a stopových minerálů. Za druhé, poskytnutím dalších požadavků na prostředí, jako je pH, teplota a kyslík, aby se urychlila rychlost a dráha jejich metabolismu . Přítomnost malého množství znečišťující látky může rovněž působit jako stimulátor zapnutím operonů pro bioremediační enzymy. Tento typ strategické cesty většinou pokračuje v přidávání živin a kyslíku na pomoc původním mikroorganismům. Tyto živiny jsou základními stavebními kameny života a umožňují mikrobům vytvářet základní požadavky, například energii, buněčnou biomasu a enzymy pro rozklad znečišťující látky. Všechny budou potřebovat dusík, fosfor a uhlík .

Bioatenuace

Bioatenuace neboli přirozená atenuace je vymýcení koncentrace znečišťujících látek z okolí. Probíhá pomocí biologických procesů, které mohou zahrnovat (aerobní a anaerobní biodegradace, příjem rostlinami a živočichy), fyzikální jevy (advekce, disperze, ředění, difúze, volatilizace, sorpce/desorpce) a chemické reakce (iontová výměna, komplexace, abiotická přeměna).Pojmy jako vnitřní remediace nebo biotransformace jsou zahrnuty do obecnější definice přirozené atenuace .

Pokud je životní prostředí znečištěno chemickými látkami, může příroda pracovat čtyřmi způsoby čištění : 1) Drobní brouci nebo mikrobi, kteří žijí v půdě a podzemních vodách, využívají některé chemické látky jako potravu. Když chemikálie zcela stráví, mohou je změnit na vodu a neškodné plyny. 2) Chemikálie mohou ulpívat nebo se sorbovat na půdě, která je udržuje na místě. Tím se chemikálie nevyčistí, ale mohou zabránit jejich znečištění podzemních vod a opuštění místa. 3) Jak se znečištění pohybuje půdou a podzemní vodou, může se mísit s čistou vodou. Tím se znečištění snižuje nebo ředí. 4) Některé chemické látky, například olej a rozpouštědla, se mohou odpařovat, což znamená, že se v půdě mění z kapaliny na plyn. Pokud tyto plyny uniknou do ovzduší na povrchu půdy, může je sluneční světlo zničit. Pokud přirozená atenuace není dostatečně rychlá nebo úplná, posílí se bioremediace buď biostimulací, nebo bioaugmentací.

Bioaugmentace

Jedná se o jeden z mechanismů biodegradace. Přidání mikroorganismů rozkládajících znečišťující látky (přirozených/exotických/umělých) za účelem zvýšení biodegradační kapacity původních mikrobiálních populací na kontaminovaném území se tento proces nazývá bioaugmentace. Za účelem rychlého zvýšení růstu přirozené populace mikroorganismů a zvýšení degradace, které se přednostně živí kontaminanty v daném místě. Mikrobi jsou z místa sanace odebráni, odděleně kultivováni, geneticky modifikováni a vráceni zpět na místo. Přesvědčte se, že všechny základní mikroorganismy se nacházejí na místech, kde jsou půda a podzemní voda kontaminovány chlorovanými etheny, například v tetrachlorethylenu a trichlorethylenu. Používá se k zajištění toho, aby mikroorganismy in situ dokázaly tyto kontaminanty zcela odstranit a změnit na etylen a chlorid, které jsou netoxické .

Bioaugmentace je proces přidávání upravených mikrobů do systému, které působí jako abioremediační činidla s cílem rychle a zcela odstranit komplexní znečišťující látky. Kromě toho se ukazuje a dokazuje, že geneticky modifikované mikroorganismy mohou zvýšit degradační účinnost široké škály environmentálních polutantů. Vzhledem k tomu, že mají rozmanitý metabolický profil, který se mění na méně složité a neškodné konečné produkty. Přírodní druhy nejsou dostatečně rychlé, aby rozkládaly určité sloučeniny, takže pro usnadnění musí být geneticky modifikovány pomocí manipulace s DNA; geneticky modifikovaní mikrobi působí jako rozkládající znečišťující látky mnohem rychleji než přírodní druhy a vysoce konkurují původním druhům, predátorům a také různým abiotickým faktorům. Geneticky modifikované mikroorganismy prokázaly potenciál pro bioremediaci půdy, podzemní vody a aktivovaného kalu, přičemž vykazují zvýšené schopnosti rozkladu širokého spektra chemických a fyzikálních polutantů .

Geneticky modifikované mikroorganismy (GEMs)

Geneticky modifikovaný mikroorganismus je mikroorganismus, jehož genetický materiál byl již změněn použitím technik genového inženýrství inspirovaných přirozenou nebo umělou genetickou výměnou mezi mikroorganismy. Tento druh umělecké práce a vědeckého postupu se označuje především jako technologie rekombinantní DNA. Genetickým inženýrstvím bylo zlepšeno využití a odstranění nebezpečných nežádoucích odpadů v laboratorních podmínkách vytvořením geneticky modifikovaných organismů . Rekombinantní živé organismy schopné získat technikou rekombinantní DNA nebo přirozenou výměnou genetického materiálu mezi organismy. V současné době jsou schopny vložit příslušný gen pro produkci určitého enzymu, který může rozkládat různé znečišťující látky .

Geneticky modifikované mikroorganismy (GEM) prokázaly potenciál pro bioremediační aplikace v půdě, podzemní vodě a prostředí aktivovaného kalu, přičemž vykazují zvýšené degradační schopnosti zahrnující širokou škálu chemických kontaminantů. V poslední době se objevila řada příležitostí pro zlepšení degradačního výkonu pomocí strategií genového inženýrství. Například lze geneticky manipulovat s kroky omezujícími rychlost ve známých metabolických drahách, aby se dosáhlo zvýšení rychlosti rozkladu, nebo lze do bakteriálních kmenů začlenit zcela nové metabolické dráhy pro rozklad dříve rekalcitrantních sloučenin. V rámci GEMs se provádějí čtyři činnosti / strategie, které jsou následující: (1) modifikace specifity a afinity enzymů, (2) konstrukce a regulace drah, (3) vývoj, monitorování a řízení bioprocesů, (4) aplikace bioafinitních bioreportérů pro detekci chemických látek, snížení toxicity a analýzu koncových bodů. Základní geny bakterií jsou neseny na jednom chromozomu, ale geny specifikující enzymy potřebné pro katabolismus některých neobvyklých substrátů mohou být neseny na plazmidech. Plazmidy byly zapojeny do katabolismu. Proto mohou být GEM účinně využity pro účely biodegradace a představují/označují hranici výzkumu s širokými důsledky v budoucím čase .

Výhody GEM v bioremediaci: Hlavní funkcí je urychlení regenerace odpadů znečištěných míst, zvýšení degradace substrátu, vysoká katalytická nebo utilizační kapacita při malém množství buněčné hmoty, bezpečné a vyčištěné podmínky prostředí dekontaminací nebo neutralizací škodlivých látek.

Nevýhody GEM v bioremediaci: V určité rovině se ukázalo, že zpoždění růstu a degradace substrátu, sezónní výkyvy a kolísání dalších abiotických faktorů mají přímý i nepřímý vliv a vztah na mikrobiální aktivitu; konečně vnesený cizí modifikovaný kmen do systému vede k nereagování a způsobuje neměřitelný nepříznivý vliv na přirozené strukturní a funkční složení a výskyt společenstva mikroorganismů.

Bioventilace

Bioventilace se podílí na odvětrávání kyslíku půdou za účelem stimulace růstu přirozených nebo vnesených bakterií a hub v půdě tím, že poskytuje kyslík stávajícím půdním mikroorganismům; je totiž funkční v aerobně rozložitelných sloučeninách. Bioventing využívá nízké průtoky vzduchu, aby poskytoval pouze dostatečné množství kyslíku pro udržení mikrobiální aktivity. Kyslík se nejčastěji dodává přímým vháněním vzduchu do zbytkové kontaminace v půdě pomocí vrtů. Adsorbované zbytky paliv se biologicky rozkládají a těkavé sloučeniny se rovněž biologicky rozkládají, protože páry se pomalu pohybují biologicky aktivní půdou. Účinná bioremediace půdy kontaminované ropnými látkami pomocí bioventilů byla prokázána mnoha výzkumníky .

Bioventily

Bioventily jsou způsobem, jak vytěženou zeminu kontaminovanou aerobně sanovatelnými uhlovodíky, zpracovat v „bioventilech“. Biopile (známé také jako biobuňky, bioheapy, biomonty a kompostové hromady) se používají ke snížení koncentrací ropných polutantů ve vytěžených zeminách po dobu biodegradace. Při tomto procesu je do systému biopilot přiváděn vzduch prostřednictvím systému potrubí a čerpadel, který buď vhání vzduch do piloty pod přetlakem, nebo nasává vzduch skrz pilotu pod podtlakem . Mikrobiální aktivita se zvyšuje prostřednictvím mikrobiální respirace, výsledkem je pak vysoká degradace adsorbovaných ropných polutantů .

Závěr

Biodegradace je velmi plodnou a atraktivní možností sanace, čištění, řízení a obnovy techniky řešení znečištěného životního prostředí prostřednictvím mikrobiální aktivity. Rychlost rozkladu nežádoucích odpadních látek je dána konkurencí biologických činitelů, nedostatečným přísunem základních živin, nepříjemnými vnějšími abiotickými podmínkami (provzdušnění, vlhkost, pH, teplota) a nízkou biologickou dostupností polutantu. V důsledku těchto faktorů není biodegradace v přírodních podmínkách úspěšnější a je méně příznivá. Protože bioremediace může být účinná pouze tam, kde podmínky prostředí umožňují mikrobiální růst a aktivitu. Bioremediace byla použita na různých místech po celém světě s různou mírou úspěšnosti. Hlavně výhody jsou větší než nevýhody, což je patrné z počtu lokalit, které se rozhodly tuto technologii použít, a z její rostoucí popularity v průběhu času. Obecně se na různých lokalitách zkoumají různé druhy, které jsou účinné v kontrolním mechanismu.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *