Die Rolle von Mikroorganismen bei der Bioremediation – ein Überblick

Einführung

Mikroorganismen sind in der Biosphäre weit verbreitet, da ihre Stoffwechselfähigkeit sehr beeindruckend ist und sie problemlos in einem breiten Spektrum von Umweltbedingungen wachsen können. Die ernährungsphysiologische Vielseitigkeit von Mikroorganismen kann auch für den biologischen Abbau von Schadstoffen genutzt werden. Diese Art von Prozess wird als Bioremediation bezeichnet. Sie basiert auf der Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen, giftige Schadstoffe umzuwandeln, zu modifizieren und zu verwerten, um dabei Energie und Biomasse zu gewinnen. Anstatt den Schadstoff einfach aufzufangen und zu lagern, ist die Bioremediation eine mikrobiologische, gut organisierte Verfahrensaktivität, die angewandt wird, um Schadstoffe in weniger toxische oder ungiftige elementare und zusammengesetzte Formen abzubauen oder umzuwandeln. Bioremediatoren sind biologische Wirkstoffe, die bei der Bioremediation eingesetzt werden, um kontaminierte Standorte zu sanieren. Bakterien, Archaeen und Pilze sind typische Hauptbioremediatoren. Bioremediation ist ein biotechnologischer Prozess, bei dem Mikroorganismen eingesetzt werden, um die Gefahren vieler Schadstoffe durch biologischen Abbau aus der Umwelt zu entfernen. Die Begriffe Bioremediation und biologischer Abbau sind austauschbare Begriffe. Mikroorganismen sind ein wichtiges Instrument zur Beseitigung von Schadstoffen in Böden, Gewässern und Sedimenten, vor allem aufgrund ihrer Vorteile gegenüber anderen Sanierungsverfahren. Mikroorganismen stellen die ursprüngliche natürliche Umgebung wieder her und verhindern eine weitere Verschmutzung. Ziel der Übersichtsarbeit ist es, den aktuellen Trend der Anwendung/Rolle von Mikroorganismen bei der Bioremediation darzustellen und relevante Hintergrundinformationen zu liefern, die Lücken in diesem Themenbereich aufzeigen. Gegenwärtig ist es ein heißes Forschungsgebiet, weil Mikroorganismen umweltfreundlich sind und wertvolles genetisches Material zur Lösung von Umweltbedrohungen versprechen.

Faktoren, die die mikrobielle Bioremediation beeinflussen

Biosanierung beinhaltet den Abbau, die Entfernung, die Veränderung, die Immobilisierung oder die Entgiftung von verschiedenen Chemikalien und physikalischen Abfällen aus der Umwelt durch die Wirkung von Bakterien, Pilzen und Pflanzen. Mikroorganismen wirken durch ihre enzymatischen Wege als Biokatalysatoren und erleichtern den Ablauf der biochemischen Reaktionen, die den gewünschten Schadstoff abbauen. Mikroorganismen können nur dann gegen die Schadstoffe vorgehen, wenn sie Zugang zu einer Vielzahl von Stoffen haben, die ihnen helfen, Energie und Nährstoffe für den Aufbau weiterer Zellen zu erzeugen. Die Effizienz der Bioremediation hängt von vielen Faktoren ab, unter anderem von der chemischen Beschaffenheit und der Konzentration der Schadstoffe, den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Umwelt und ihrer Verfügbarkeit für die Mikroorganismen. Die Abbaugeschwindigkeit wird dadurch beeinflusst, dass Bakterien und Schadstoffe nicht miteinander in Kontakt kommen. Darüber hinaus sind Mikroben und Schadstoffe nicht gleichmäßig in der Umwelt verteilt. Die Steuerung und Optimierung von Bioremediationsprozessen ist ein komplexes System, das von vielen Faktoren abhängt. Zu diesen Faktoren gehören: das Vorhandensein einer mikrobiellen Population, die in der Lage ist, die Schadstoffe abzubauen, die Verfügbarkeit der Schadstoffe für die mikrobielle Population und Umweltfaktoren (Art des Bodens, Temperatur, pH-Wert, Vorhandensein von Sauerstoff oder anderen Elektronenakzeptoren und Nährstoffen).

Biologische Faktoren

Biotische Faktoren beeinflussen den Abbau organischer Verbindungen durch die Konkurrenz zwischen Mikroorganismen um begrenzte Kohlenstoffquellen, antagonistische Interaktionen zwischen Mikroorganismen oder den Befall von Mikroorganismen durch Protozoen und Bakteriophagen. Die Geschwindigkeit des Schadstoffabbaus hängt häufig von der Konzentration des Schadstoffs und der Menge des vorhandenen „Katalysators“ ab. In diesem Zusammenhang steht die Menge des „Katalysators“ für die Anzahl der Organismen, die in der Lage sind, den Schadstoff zu metabolisieren, sowie für die Menge der von jeder Zelle produzierten Enzyme. Die Expression bestimmter Enzyme durch die Zellen kann die Geschwindigkeit des Schadstoffabbaus erhöhen oder verringern. Darüber hinaus muss das Ausmaß des Schadstoff-Stoffwechsels spezifischer Enzyme und ihre „Affinität“ für den Schadstoff sowie die Verfügbarkeit des Schadstoffs weitgehend berücksichtigt werden. Zu den wichtigsten biologischen Faktoren gehören: Mutation, horizontaler Gentransfer, Enzymaktivität, Interaktion (Konkurrenz, Sukzession und Prädation), eigenes Wachstum bis zum Erreichen der kritischen Biomasse, Populationsgröße und -zusammensetzung.

Umweltfaktoren

Die Stoffwechseleigenschaften der Mikroorganismen und die physikalisch-chemischen Eigenschaften der anvisierten Schadstoffe bestimmen die mögliche Interaktion während des Prozesses. Die tatsächlich erfolgreiche Interaktion zwischen beiden hängt jedoch von den Umweltbedingungen am Ort der Interaktion ab. Das Wachstum und die Aktivität der Mikroorganismen werden durch den pH-Wert, die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Bodenstruktur, die Wasserlöslichkeit, die Nährstoffe, die Standorteigenschaften, das Redoxpotenzial und den Sauerstoffgehalt, den Mangel an geschultem Personal in diesem Bereich und die physikalisch-chemische Bioverfügbarkeit der Schadstoffe (Schadstoffkonzentration, Art, Löslichkeit, chemische Struktur und Toxizität) beeinflusst. Die oben genannten Faktoren bestimmen die Kinetik des Abbaus. Der biologische Abbau kann in einem breiten pH-Bereich stattfinden; ein pH-Wert von 6,5 bis 8,5 ist jedoch im Allgemeinen optimal für den biologischen Abbau in den meisten aquatischen und terrestrischen Systemen. Feuchtigkeit beeinflusst die Geschwindigkeit des Schadstoffmetabolismus, da sie die Art und Menge der verfügbaren löslichen Stoffe sowie den osmotischen Druck und den pH-Wert von terrestrischen und aquatischen Systemen beeinflusst.

Verfügbarkeit von Nährstoffen

Die Zugabe von Nährstoffen regelt den für das mikrobielle Wachstum und die Vermehrung notwendigen Nährstoffhaushalt und wirkt sich auf die Abbaugeschwindigkeit und die Effektivität aus. Ein Nährstoffausgleich, insbesondere die Zufuhr von essentiellen Nährstoffen wie N und P, kann die biologische Abbauleistung durch Optimierung des bakteriellen C:N:P-Verhältnisses verbessern. Um zu überleben und ihre mikrobiellen Aktivitäten fortzusetzen, benötigen Mikroorganismen eine Reihe von Nährstoffen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. In geringen Konzentrationen ist auch das Ausmaß des Kohlenwasserstoffabbaus begrenzt. Die Zugabe einer angemessenen Menge an Nährstoffen ist eine günstige Strategie zur Steigerung der Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen und damit der biologischen Abbaurate in kalten Umgebungen. Der biologische Abbau in der aquatischen Umwelt wird durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen begrenzt. Ähnlich wie andere Organismen benötigen auch ölfressende Mikroben Nährstoffe für optimales Wachstum und Entwicklung. Diese Nährstoffe sind in der natürlichen Umwelt zwar vorhanden, kommen aber nur in geringen Mengen vor.

Temperatur

Unter den physikalischen Faktoren ist die Temperatur der wichtigste, der das Überleben der Mikroorganismen und die Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe bestimmt. In kalten Umgebungen wie der Arktis ist der Abbau des Öls durch natürliche Prozesse sehr langsam und setzt die Mikroben unter größeren Druck, das ausgelaufene Erdöl zu beseitigen. Die Minustemperaturen des Wassers in dieser Region führen dazu, dass die Transportkanäle in den mikrobiellen Zellen geschlossen werden oder sogar das gesamte Zytoplasma gefriert, wodurch die meisten oleophilen Mikroben metabolisch inaktiv werden. Biologische Enzyme, die am Abbau beteiligt sind, haben ein Temperaturoptimum und weisen nicht bei jeder Temperatur den gleichen Stoffwechselumsatz auf. Außerdem erfordert der Abbauprozess für eine bestimmte Verbindung eine bestimmte Temperatur. Die Temperatur beschleunigt oder verlangsamt auch den Bioremediationsprozess, da sie die mikrobiellen physiologischen Eigenschaften stark beeinflusst. Die Geschwindigkeit der mikrobiellen Aktivitäten nimmt mit der Temperatur zu und erreicht bei einer optimalen Temperatur ihr Maximum. Bei einer weiteren Temperaturerhöhung oder -senkung nimmt sie plötzlich ab und kommt schließlich bei Erreichen einer bestimmten Temperatur zum Stillstand.

Sauerstoffkonzentration

Verschiedene Organismen benötigen Sauerstoff, andere wiederum benötigen keinen Sauerstoff, um die biologische Abbaugeschwindigkeit besser zu unterstützen. Der biologische Abbau erfolgt unter aeroben und anaeroben Bedingungen, da die meisten Lebewesen Sauerstoff in gasförmiger Form benötigen. Die Anwesenheit von Sauerstoff kann in den meisten Fällen den Kohlenwasserstoff-Stoffwechsel fördern.

Feuchtigkeitsgehalt

Mikroorganismen benötigen ausreichend Wasser, um ihr Wachstum zu vollziehen. Der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens wirkt sich nachteilig auf die biologischen Abbauprodukte aus.

pH

Der pH-Wert einer Verbindung, d.h. der Säuregrad, die Basizität und die Alkalinität einer Verbindung, hat einen eigenen Einfluss auf die mikrobielle Stoffwechselaktivität und erhöht oder verringert auch den Abbauprozess. Die Messung des pH-Wertes im Boden könnte das Potenzial für mikrobielles Wachstum anzeigen. Höhere oder niedrigere pH-Werte führten zu schlechteren Ergebnissen; die Stoffwechselprozesse reagieren selbst auf geringfügige Änderungen des pH-Werts sehr empfindlich.

Standortcharakterisierung und -auswahl

Bevor eine Bioremediation vorgeschlagen wird, müssen ausreichende Sanierungsuntersuchungen durchgeführt werden, um das Ausmaß und den Umfang der Kontamination angemessen zu beschreiben. Diese Arbeiten sollten mindestens folgende Faktoren umfassen: vollständige Bestimmung der horizontalen und vertikalen Ausdehnung der Kontamination, Auflistung der zu beprobenden Parameter und Standorte und Begründung ihrer Wahl, Beschreibung der für die Probenahme und die durchzuführenden Analysen zu verwendenden Methoden.

Metallionen

Metalle sind in geringen Mengen für Bakterien und Pilze wichtig, hemmen aber in großen Mengen die Stoffwechselaktivität der Zellen. Metallverbindungen wirken sich direkt und indirekt auf die Abbaugeschwindigkeit aus.

Toxische Verbindungen

Wenn einige Schadstoffe in hohen Konzentrationen toxisch sind, können sie toxische Wirkungen auf Mikroorganismen haben und die Dekontamination verlangsamen. Das Ausmaß und die Mechanismen der Toxizität variieren mit den spezifischen Giftstoffen, ihrer Konzentration und den exponierten Mikroorganismen. Einige organische und anorganische Verbindungen sind für bestimmte Lebensformen giftig.

Grundsatz der Bioremediation

Biosanierung ist definiert als der Prozess, bei dem organische Abfälle unter kontrollierten Bedingungen biologisch abgebaut werden, so dass sie unschädlich werden oder unterhalb der von den Behörden festgelegten Konzentrationsgrenzen liegen. Mikroorganismen eignen sich für die Aufgabe der Schadstoffzerstörung, da sie über Enzyme verfügen, die es ihnen ermöglichen, Umweltschadstoffe als Nahrung zu nutzen. Ziel der Bioremediation ist es, sie durch die Zufuhr optimaler Mengen an Nährstoffen und anderen Chemikalien, die für ihren Stoffwechsel wichtig sind, zur Zersetzung/Entgiftung von umwelt- und lebensgefährlichen Stoffen anzuregen. Alle Stoffwechselreaktionen werden durch Enzyme vermittelt. Diese gehören zu den Gruppen der Oxidoreduktasen, Hydrolasen, Lyasen, Transferasen, Isomerasen und Ligasen. Viele Enzyme haben aufgrund ihrer unspezifischen und spezifischen Substrataffinität ein bemerkenswert breites Abbauvermögen. Damit die Bioremediation wirksam ist, müssen die Mikroorganismen die Schadstoffe enzymatisch angreifen und in unschädliche Produkte umwandeln. Da die Bioremediation nur dann wirksam sein kann, wenn die Umweltbedingungen mikrobielles Wachstum und mikrobielle Aktivität zulassen, werden bei ihrer Anwendung häufig die Umweltparameter so verändert, dass mikrobielles Wachstum und mikrobieller Abbau schneller voranschreiten können.

Die Bioremediation erfolgt auf natürliche Weise und wird durch den Zusatz von Lebewesen und Düngemitteln gefördert. Die Bioremediationstechnologie basiert im Wesentlichen auf dem biologischen Abbau. Sie bezieht sich auf die vollständige Entfernung organischer toxischer Schadstoffe in harmlose oder natürlich vorkommende Verbindungen wie Kohlendioxid, Wasser und anorganische Verbindungen, die für Menschen, Tiere, Pflanzen und Wasserlebewesen sicher sind. Für den biologischen Abbau einer Vielzahl organischer Verbindungen sind zahlreiche Mechanismen und Wege aufgeklärt worden; so erfolgt er beispielsweise sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit von Sauerstoff.

Der Vorteil der Bioremediation

Es handelt sich um einen natürlichen Prozess, der nur wenig Zeit in Anspruch nimmt und ein akzeptables Abfallbehandlungsverfahren für kontaminiertes Material wie Boden darstellt. Die Mikroben sind in der Lage, den Schadstoff abzubauen und vermehren sich, wenn der Schadstoff vorhanden ist. Wenn der Schadstoff abgebaut ist, nimmt die Zahl der biologisch abbaubaren Mikroben ab. Die Rückstände der Behandlung sind in der Regel harmlose Produkte, die Wasser, Kohlendioxid und Zellbiomasse enthalten.

Sie erfordert einen sehr geringen Aufwand und kann oft vor Ort durchgeführt werden, ohne eine größere Unterbrechung der normalen Tätigkeiten zu verursachen. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit, Abfallmengen außer Haus zu transportieren, und die potenziellen Gefahren für die menschliche Gesundheit und die Umwelt, die während des Transports entstehen können.

Es wird in einem kosteneffektiven Verfahren angewandt, da es weniger kostet als die anderen konventionellen Methoden (Technologien), die für die Sanierung gefährlicher Abfälle verwendet werden. Wichtige Methode für die Behandlung von ölverschmutzten Standorten.

Es hilft auch bei der vollständigen Zerstörung der Schadstoffe, viele der gefährlichen Verbindungen können in harmlose Produkte umgewandelt werden, und diese Eigenschaft eliminiert auch die Chance einer zukünftigen Haftung im Zusammenhang mit der Behandlung und Entsorgung von kontaminiertem Material.

Es werden keine gefährlichen Chemikalien verwendet. Nährstoffe, insbesondere Düngemittel, werden hinzugefügt, um ein aktives und schnelles mikrobielles Wachstum zu ermöglichen. Üblicherweise werden sie für Rasenflächen und Gärten verwendet. Durch die Bioremediation werden schädliche Chemikalien in Wasser und harmlose Gase umgewandelt, die schädlichen Chemikalien werden vollständig zerstört.

Einfach, weniger arbeitsintensiv und billig aufgrund ihrer natürlichen Rolle in der Umwelt.

Umweltfreundlich und nachhaltig .

Verunreinigungen werden zerstört und nicht einfach in andere Umweltmedien übertragen.

Nicht invasiv, was eine weitere Nutzung des Geländes ermöglicht.

Relativ einfach zu implementieren.

Effektive Möglichkeit, das natürliche Ökosystem von einer Reihe von Verunreinigungen zu befreien und als umweltfreundliche Option zu fungieren.

Der Nachteil der Bioremediation

Sie ist auf jene Verbindungen beschränkt, die biologisch abbaubar sind. Nicht alle Verbindungen lassen sich schnell und vollständig abbauen.

Es gibt Bedenken, dass die Produkte des biologischen Abbaus hartnäckiger oder giftiger sein können als die Ausgangsverbindung.

Biologische Prozesse sind oft sehr spezifisch. Zu den wichtigen Standortfaktoren, die für den Erfolg erforderlich sind, gehören das Vorhandensein stoffwechselfähiger mikrobieller Populationen, geeignete Wachstumsbedingungen in der Umwelt und ein angemessener Gehalt an Nähr- und Schadstoffen.

Es ist schwierig, die Ergebnisse von Studien im Labor- und Pilotmaßstab auf die Praxis zu übertragen.

Forschungsbedarf besteht bei der Entwicklung und Konstruktion von Bioremediationstechnologien, die für Standorte mit komplexen Schadstoffgemischen geeignet sind, die nicht gleichmäßig in der Umwelt verteilt sind. Die Schadstoffe können in fester, flüssiger und gasförmiger Form vorliegen.

Es dauert oft länger als andere Behandlungsmöglichkeiten, wie Aushub und Abtragung des Bodens oder Verbrennung.

•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)

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. Mikroorganismen nehmen Schwermetalle aktiv (Bioakkumulation) und/oder passiv (Adsorption) auf. Die mikrobielle Methylierung spielt eine wichtige Rolle bei der Bioremediation von Schwermetallen, da methylierte Verbindungen häufig flüchtig sind. Zum Beispiel kann Quecksilber, Hg (II), von einer Reihe verschiedener Bakterienarten wie Alcaligenes faecalis, Bacillus pumilus, Bacillus sp., P. aeruginosa und Brevibacterium iodinium zu gasförmigem Methylquecksilber biomethyliert werden.

Typen der Bioremediation

Es gibt verschiedene Arten von Behandlungstechnologien oder -techniken im Rahmen von Bioremediationsverfahren. Die grundlegenden Bioremediationsverfahren sind: Biostimulation, Attenuation, Augmentation, Venting und Pfähle.

Biostimulation

Diese Art von Strategie ist mit der Injektion spezifischer Nährstoffe am Standort (Boden/Grundwasser) verbunden, um die Aktivität der einheimischen Mikroorganismen zu stimulieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Stimulierung der einheimischen oder natürlich vorhandenen Bakterien- und Pilzgemeinschaft. Zum einen durch die Zufuhr von Düngemitteln, Wachstumsförderern und Spurenelementen. Zweitens durch die Bereitstellung anderer Umweltanforderungen wie pH-Wert, Temperatur und Sauerstoff, um ihre Stoffwechselrate und ihren Stoffwechselweg zu beschleunigen. Das Vorhandensein einer geringen Menge an Schadstoffen kann auch als Stimulans wirken, indem es die Operons für Bioremediationsenzyme anschaltet. Diese Art von Strategie wird meist durch die Zugabe von Nährstoffen und Sauerstoff fortgesetzt, um die einheimischen Mikroorganismen zu unterstützen. Diese Nährstoffe sind die Grundbausteine des Lebens und ermöglichen es den Mikroben, die Grundvoraussetzungen zu schaffen, z. B. Energie, Zellbiomasse und Enzyme für den Abbau des Schadstoffs. Sie alle benötigen Stickstoff, Phosphor und Kohlenstoff.

Bioabschwächung

Bioabschwächung oder natürliche Abschwächung ist die Beseitigung von Schadstoffkonzentrationen in der Umgebung. Sie erfolgt durch biologische Prozesse (aerober und anaerober biologischer Abbau, Aufnahme durch Pflanzen und Tiere), physikalische Phänomene (Advektion, Dispersion, Verdünnung, Diffusion, Verflüchtigung, Sorption/Desorption) und chemische Reaktionen (Ionenaustausch, Komplexbildung, abiotische Umwandlung).Begriffe wie intrinsische Sanierung oder Biotransformation sind in der allgemeineren Definition der natürlichen Abschwächung enthalten.

Wenn die Umwelt mit Chemikalien verschmutzt ist, kann die Natur auf vier Arten zur Reinigung beitragen: 1) Winzige Käfer oder Mikroben, die im Boden und im Grundwasser leben, nutzen einige Chemikalien als Nahrung. Wenn sie die Chemikalien vollständig verdaut haben, können sie sie in Wasser und harmlose Gase umwandeln. 2) Chemikalien können am Boden haften oder sorbieren, wodurch sie an Ort und Stelle gehalten werden. Dadurch werden die Chemikalien zwar nicht gereinigt, aber es kann verhindert werden, dass sie das Grundwasser verschmutzen und den Standort verlassen. 3) Wenn sich die Verschmutzung durch den Boden und das Grundwasser bewegt, kann sie sich mit sauberem Wasser vermischen. Dadurch wird die Verschmutzung reduziert oder verdünnt. 4) Einige Chemikalien, wie Öl und Lösungsmittel, können verdunsten, d. h. sie werden im Boden von einer Flüssigkeit zu einem Gas. Wenn diese Gase an der Bodenoberfläche in die Luft entweichen, kann das Sonnenlicht sie zerstören. Wenn die natürliche Abschwächung nicht schnell oder vollständig genug ist, wird die biologische Sanierung entweder durch Biostimulation oder Bioaugmentation verbessert.

Bioaugmentation

Sie ist einer der Mechanismen des biologischen Abbaus. Die Zugabe von schadstoffabbauenden Mikroorganismen (natürliche/exotische/manipulierte), um die biologische Abbaukapazität der einheimischen mikrobiellen Populationen in dem kontaminierten Gebiet zu erhöhen, wird als Bioaugmentation bezeichnet. Um das Wachstum der natürlichen Mikroorganismenpopulation schnell zu steigern und den Abbau zu verbessern, ernähren sich diese bevorzugt von den Schadstoffen. Die Mikroben werden an der Sanierungsstelle gesammelt, separat gezüchtet, genetisch verändert und an die Stelle zurückgebracht. So kann man sich davon überzeugen, dass alle wichtigen Mikroorganismen dort zu finden sind, wo Boden und Grundwasser mit chlorierten Ethen, wie Tetrachlorethylen und Trichlorethylen, kontaminiert sind. Sie wird eingesetzt, um sicherzustellen, dass die Mikroorganismen vor Ort diese Schadstoffe vollständig entfernen und in Ethylen und Chlorid umwandeln können, die ungiftig sind.

Bioaugmentation ist der Prozess der Zugabe von gentechnisch veränderten Mikroben in ein System, die als Abioremediatoren wirken, um komplexe Schadstoffe schnell und vollständig zu beseitigen. Darüber hinaus haben gentechnisch veränderte Mikroorganismen gezeigt und bewiesen, dass sie die Abbauleistung einer breiten Palette von Umweltschadstoffen erhöhen können. Sie verfügen über ein vielfältiges Stoffwechselprofil, das sie in weniger komplexe und unschädliche Endprodukte umwandeln können. Natürliche Arten sind nicht schnell genug, um bestimmte Verbindungen abzubauen, so dass sie zur Erleichterung durch DNA-Manipulation gentechnisch verändert werden müssen; gentechnisch veränderte Mikroben bauen Schadstoffe viel schneller ab als die natürlichen Arten und konkurrieren in hohem Maße mit den einheimischen Arten, Raubtieren und auch verschiedenen abiotischen Faktoren. Gentechnisch veränderte Mikroorganismen haben sich als potenziell geeignet für die Bioremediation von Boden, Grundwasser und Belebtschlamm erwiesen, da sie ein breites Spektrum chemischer und physikalischer Schadstoffe besser abbauen können.

Genetisch veränderte Mikroorganismen (GEMs)

Genetisch veränderte Mikroorganismen sind Mikroorganismen, deren genetisches Material bereits durch die Anwendung gentechnischer Verfahren verändert wurde, die sich am natürlichen oder künstlichen genetischen Austausch zwischen Mikroorganismen orientieren. Diese Art von künstlerischer Arbeit und wissenschaftlichem Verfahren wird hauptsächlich als rekombinante DNA-Technologie bezeichnet. Die Gentechnik hat die Verwertung und Beseitigung von gefährlichen, unerwünschten Abfällen unter Laborbedingungen durch die Schaffung genetisch veränderter Organismen verbessert. Rekombinante lebende Organismen können durch rekombinante DNA-Techniken oder durch natürlichen Austausch von genetischem Material zwischen Organismen gewonnen werden. Gegenwärtig sind sie in der Lage, das entsprechende Gen für die Produktion eines bestimmten Enzyms einzufügen, das verschiedene Schadstoffe abbauen kann.

Genetisch veränderte Mikroorganismen (GEMs) haben ein Potenzial für Bioremediationsanwendungen im Boden, im Grundwasser und in Belebtschlammumgebungen gezeigt, indem sie verbesserte Abbaukapazitäten für ein breites Spektrum chemischer Schadstoffe aufweisen. In jüngster Zeit hat sich eine Reihe von Möglichkeiten zur Verbesserung der Abbauleistung durch gentechnische Strategien ergeben. So können beispielsweise geschwindigkeitsbegrenzende Schritte in bekannten Stoffwechselwegen gentechnisch verändert werden, um höhere Abbauraten zu erzielen, oder es können völlig neue Stoffwechselwege in Bakterienstämme eingebaut werden, um den Abbau von bisher widerspenstigen Verbindungen zu ermöglichen. In GEMs werden vier Aktivitäten/Strategien durchgeführt, und zwar: (1) Veränderung der Enzymspezifität und -affinität, (2) Aufbau und Regulierung von Stoffwechselwegen, (3) Entwicklung, Überwachung und Kontrolle von Bioprozessen, (4) Anwendungen von Bioaffinitäts-Bioreportern für die chemische Erkennung, die Verringerung der Toxizität und die Endpunktanalyse. Wesentliche Gene von Bakterien befinden sich auf einem einzigen Chromosom, aber Gene, die Enzyme spezifizieren, die für den Abbau einiger dieser ungewöhnlichen Substrate erforderlich sind, können auf Plasmiden getragen werden. Plasmide wurden in den Katabolismus mit einbezogen. Daher können GEMs effektiv für den biologischen Abbau eingesetzt werden und stellen ein Forschungsgebiet mit weitreichenden Auswirkungen für die Zukunft dar.

Vorteil von GEMs bei der Bioremediation: Die Hauptfunktion besteht darin, die Sanierung von Altlasten zu beschleunigen, den Substratabbau zu erhöhen, eine hohe katalytische Kapazität oder Verwertungskapazität mit einer geringen Menge an Zellmasse aufzuweisen, sichere und gereinigte Umweltbedingungen durch Dekontamination oder Neutralisierung von Schadstoffen zu schaffen.

Nachteil von GEMs in der Bioremediation: Die wichtigsten Nachteile sind nie in der traditionellen Verfahren durchgeführt, in einigen Fällen das Absterben von Zellen passiert sind, mit Herausforderung mit ihrer Freisetzung in die Umgebung verbunden sind, In einem bestimmten Niveau zeigte es, dass die Verzögerung von Wachstum und Substratabbau, saisonale Schwankungen und andere abiotische Faktoren Fluktuation haben direkte und indirekte Auswirkungen und Beziehung auf die mikrobielle Aktivität; schließlich eingeführt fremden modifizierten Stamm in das System führt zu unreagiert und verursachen unmessbare negative Auswirkungen auf die natürliche strukturelle und funktionelle Mikroorganismen der Gemeinschaft Zusammensetzung und Vorkommen.

Bioventing

Bioventing befasst sich mit der Belüftung des Bodens mit Sauerstoff, um das Wachstum natürlicher oder eingeschleppter Bakterien und Pilze im Boden zu stimulieren, indem die vorhandenen Bodenmikroorganismen mit Sauerstoff versorgt werden; es funktioniert auch bei aerob abbaubaren Verbindungen. Beim Bioventing werden niedrige Luftdurchsätze verwendet, um nur so viel Sauerstoff zu liefern, dass die mikrobielle Aktivität aufrechterhalten wird. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt meist durch direkte Lufteinblasung in die Restverschmutzung des Bodens über Bohrungen. Adsorbierte Kraftstoffrückstände werden biologisch abgebaut, und flüchtige Verbindungen werden ebenfalls biologisch abgebaut, da sich die Dämpfe langsam durch biologisch aktiven Boden bewegen. Die wirksame Bioremediation erdölverschmutzter Böden durch Bioventing ist von vielen Forschern nachgewiesen worden.

Biopiles

Biopiles ist eine Möglichkeit, ausgehobenen Boden, der mit aerob sanierbaren Kohlenwasserstoffen kontaminiert ist, in „Biopiles“ zu behandeln. Biopiles (auch bekannt als Biozellen, Bioheaps, Biomounds und Komposthaufen) werden eingesetzt, um die Konzentrationen von Erdölschadstoffen in ausgehobenen Böden während der Zeit des biologischen Abbaus zu reduzieren. Bei diesem Verfahren wird dem Biopile-System über ein System von Rohrleitungen und Pumpen Luft zugeführt, die entweder unter Überdruck in den Haufen gepresst oder unter Unterdruck durch den Haufen gezogen wird. Die mikrobielle Aktivität wird durch die mikrobielle Atmung erhöht, was zu einem starken Abbau der adsorbierten Erdölschadstoffe führt.

Schlussfolgerung

Der biologische Abbau ist eine sehr fruchtbare und attraktive Option für die Sanierung, Reinigung, Verwaltung und Wiederherstellung der verschmutzten Umwelt durch mikrobielle Aktivität. Die Geschwindigkeit des Abbaus unerwünschter Abfallstoffe hängt von der Konkurrenz mit anderen biologischen Stoffen, einer unzureichenden Versorgung mit essentiellen Nährstoffen, ungünstigen äußeren abiotischen Bedingungen (Belüftung, Feuchtigkeit, pH-Wert, Temperatur) und einer geringen Bioverfügbarkeit des Schadstoffs ab. Aufgrund dieser Faktoren ist der biologische Abbau unter natürlichen Bedingungen nicht mehr erfolgreich und führt zu einer ungünstigeren Situation. Die Bioremediation kann nur dann wirksam sein, wenn die Umweltbedingungen mikrobielles Wachstum und Aktivität zulassen. Die Bioremediation wurde weltweit an verschiedenen Standorten mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt. In der Regel überwiegen die Vorteile gegenüber den Nachteilen, was durch die Anzahl der Standorte, die sich für diese Technologie entscheiden, und ihre zunehmende Beliebtheit im Laufe der Zeit belegt wird. Im Allgemeinen werden an verschiedenen Standorten unterschiedliche Arten untersucht, die sich als wirksame Kontrollmechanismen erweisen.