A mikroorganizmusok szerepe a bioremediációban – egy áttekintés

Bevezetés

A mikroorganizmusok széles körben elterjedtek a bioszférában, mert anyagcsere-képességük nagyon lenyűgöző, és könnyen növekednek a környezeti feltételek széles skáláján. A mikroorganizmusok táplálkozási sokoldalúságát a szennyező anyagok biológiai lebontására is ki lehet használni. Ezt a fajta folyamatot bioremediációnak nevezzük. Ez folytatódik keresztül alapuló képességén alapuló bizonyos mikroorganizmusok átalakítani, módosítani és hasznosítani a mérgező szennyező anyagok annak érdekében, hogy az energia és a biomassza termelés a folyamat során . A szennyező anyag egyszerű összegyűjtése és tárolása helyett a bioremediáció egy jól szervezett mikrobiológiai eljárási tevékenység, amelyet a szennyező anyagok kevésbé mérgező vagy nem mérgező elemi és összetett formákra történő lebontására vagy átalakítására alkalmaznak. A bioremediátorok biológiai szerek, amelyeket a szennyezett területek megtisztítása érdekében bioremediációra használnak. A baktériumok, archaea és gombák tipikus elsődleges bioremediátorok. A bioremediáció mint mikroorganizmusok bevonásával történő biotechnológiai folyamat alkalmazása számos szennyező anyag veszélyeinek megoldására és eltávolítására a környezetből történő biológiai lebontás révén. A bioremediáció és a biodegradáció kifejezések inkább felcserélhető szavak. A mikroorganizmusok jelentős szennyezőanyag-eltávolító eszközként működnek a talajban, a vízben és az üledékekben; főként más kármentesítési eljárási protokollokkal szembeni előnyük miatt. A mikroorganizmusok helyreállítják az eredeti természetes környezetet és megakadályozzák a további szennyezést. Az áttekintés célja, hogy kifejezze a mikroorganizmusok bioremediációban való alkalmazásának/szerepének jelenlegi tendenciáját, és hozzájáruljon az e témakörben azonosított hiányosságok releváns hátteréhez. Jelenleg ez egy forró kutatási terület, mivel a mikroorganizmusok környezetbarát és ígéretes értékes genetikai anyagot jelentenek a környezeti veszélyek megoldására.

A mikrobiális bioremediációt befolyásoló tényezők

A bioremediáció a különböző vegyi és fizikai hulladékok lebontásával, eltávolításával, megváltoztatásával, immobilizálásával vagy méregtelenítésével foglalkozik a környezetből baktériumok, gombák és növények segítségével. A mikroorganizmusok enzimatikus útvonalaik révén biokatalizátorként működnek, és elősegítik a biokémiai reakciók lefolyását, amelyek lebontják a kívánt szennyező anyagot. A mikroorganizmusok csak akkor lépnek fel a szennyező anyagok ellen, ha hozzáférnek a különböző anyagvegyületekhez, amelyek segítenek nekik energiát és tápanyagokat előállítani a további sejtek építéséhez. A bioremediáció hatékonysága számos tényezőtől függ; többek között a szennyező anyagok kémiai jellegétől és koncentrációjától, a környezet fizikai-kémiai jellemzőitől és a mikroorganizmusok számára való elérhetőségétől. A lebontási sebesség oka a baktériumok és a szennyező anyagok nem érintkeznek egymással. Ezen túlmenően a mikrobák és a szennyező anyagok nem egyenletesen terjednek el a környezetben. A bioremediációs folyamatok ellenőrzése és optimalizálása számos tényező miatt összetett rendszer. Ezek a tényezők a következők: a szennyező anyagok lebontására képes mikrobapopuláció megléte, a szennyező anyagok hozzáférhetősége a mikrobapopuláció számára és a környezeti tényezők (talaj típusa, hőmérséklet, pH, oxigén vagy más elektronakceptorok jelenléte, tápanyagok).

Biotikus tényezők

A biotikus tényezők befolyásolják a szerves vegyületek lebontását a mikroorganizmusok között a korlátozott szénforrásokért folytatott versengés, a mikroorganizmusok közötti antagonista kölcsönhatások vagy a mikroorganizmusok protozoonok és bakteriofágok általi predációja révén. A szennyezőanyag lebomlásának sebessége gyakran függ a szennyezőanyag koncentrációjától és a jelen lévő “katalizátor” mennyiségétől. Ebben az összefüggésben a “katalizátor” mennyisége a szennyező anyag metabolizálására képes organizmusok számát, valamint az egyes sejtek által termelt enzim(ek) mennyiségét jelenti. A specifikus enzimek sejtek általi kifejeződése növelheti vagy csökkentheti a szennyezőanyag lebontásának sebességét. Továbbá, a szennyezőanyag metabolizmusának mértékében specifikus enzimeknek kell részt venniük, és nagymértékben szükséges a szennyezőanyaggal szembeni “affinitásuk”, valamint a szennyezőanyag elérhetősége. Ide tartoznak a főbb biológiai tényezők: mutáció, horizontális géntranszfer, enzimaktivitás, kölcsönhatás (konkurencia, szukcesszió és predáció), saját növekedés a kritikus biomassza eléréséig, populáció mérete és összetétele .

Környezeti tényezők

A mikroorganizmusok metabolikus jellemzői és a célzott szennyezőanyagok fizikai-kémiai tulajdonságai határozzák meg a folyamat során lehetséges kölcsönhatásokat. A kettő közötti tényleges sikeres kölcsönhatás; azonban a kölcsönhatás helyszínének környezeti feltételeitől függ. A mikroorganizmusok növekedését és aktivitását befolyásolja a pH, a hőmérséklet, a nedvesség, a talaj szerkezete, a vízben való oldhatóság, a tápanyagok, a helyszín jellemzői, a redox-potenciál és az oxigéntartalom, az e területen képzett emberi erőforrások hiánya és a szennyező anyagok fizikai-kémiai biológiai hozzáférhetősége (szennyezőanyag-koncentráció, típus, oldhatóság, kémiai szerkezet és toxicitás). A fent felsorolt tényezők határozzák meg a lebomlás kinetikáját. A biológiai lebontás a pH-értékek széles skáláján történhet; a legtöbb vízi és szárazföldi rendszerben azonban a 6,5 és 8,5 közötti pH-érték általában optimális a biológiai lebontáshoz. A nedvesség befolyásolja a szennyező anyagcsere sebességét, mivel befolyásolja a rendelkezésre álló oldható anyagok fajtáját és mennyiségét, valamint a szárazföldi és vízi rendszerek ozmotikus nyomását és pH-ját . A legtöbb környezeti tényezőt az alábbiakban soroljuk fel.

Tápanyagok elérhetősége

A tápanyagok hozzáadása beállítja a mikrobák növekedéséhez és szaporodásához szükséges tápanyagegyensúlyt, valamint hatással van a biológiai lebontás sebességére és hatékonyságára. A tápanyag-kiegyenlítés, különösen az olyan alapvető tápanyagok, mint a N és a P biztosítása javíthatja a biológiai lebontás hatékonyságát a bakteriális C:N:P arány optimalizálásával. A mikroorganizmusoknak a túléléshez és mikrobiális tevékenységük folytatásához számos tápanyagra, például szénre, nitrogénre és foszforra van szükségük. Kis koncentrációban a szénhidrogén-bontás mértéke is korlátozott. A megfelelő mennyiségű tápanyag hozzáadása kedvező stratégia a mikroorganizmusok metabolikus aktivitásának és így a biológiai lebontás mértékének növelésére hideg környezetben . A vízi környezetben a biológiai lebontást a tápanyagok elérhetősége korlátozza . Más szervezetek táplálkozási igényeihez hasonlóan az olajevő mikrobáknak is szükségük van tápanyagokra az optimális növekedéshez és fejlődéshez. Ezek a tápanyagok a természetes környezetben rendelkezésre állnak, de kis mennyiségben fordulnak elő .

Hőmérséklet

A fizikai tényezők közül a hőmérséklet a legfontosabb a mikroorganizmusok túlélésének és a szénhidrogének összetételének meghatározásában . Hideg környezetben, mint például az Északi-sarkvidék, az olaj természetes folyamatok révén történő lebomlása nagyon lassú, és nagyobb nyomás alá helyezi a mikrobákat a kiömlött kőolaj megtisztítása érdekében. A víz fagypont alatti hőmérséklete ebben a régióban a mikrobiális sejteken belüli transzportcsatornák leállását okozza, vagy akár az egész citoplazma megfagyását is okozhatja, így a legtöbb oleofil mikroba anyagcsere-inaktívvá válik. A lebontási útvonalban részt vevő biológiai enzimeknek van egy optimális hőmérsékletük, és nem minden hőmérsékleten lesz azonos az anyagcsere-forgalmuk. Ráadásul az egyes vegyületek lebontási folyamata specifikus hőmérsékletet igényel. A hőmérséklet is felgyorsítja vagy lelassítja a bioremediációs folyamatot, mivel nagymértékben befolyásolja a mikrobiális fiziológiai tulajdonságokat. A mikrobiális aktivitás sebessége a hőmérséklettel együtt nő, és optimális hőmérsékleten éri el a maximális szintet. A hőmérséklet további emelkedésével vagy csökkenésével hirtelen csökken, és végül egy bizonyos hőmérséklet elérése után leáll.

Az oxigén koncentrációja

A különböző organizmusok oxigént igényelnek, mások pedig nem igényelnek oxigént, és igényeik alapján jobban elősegítik a biológiai lebomlási sebességet. A biológiai lebontás aerob és anaerob állapotban történik, mivel az oxigén a legtöbb élő szervezet számára gáznemű szükséglet. Az oxigén jelenléte a legtöbb esetben fokozhatja a szénhidrogén anyagcserét .

Nedvességtartalom

A mikroorganizmusoknak megfelelő vízre van szükségük a növekedésük megvalósításához. A talaj nedvességtartalma kedvezőtlen hatással van a biológiai lebontó ágensekre.

pH

A vegyület pH-ja, amely a vegyület savassága, lúgossága és lúgossága, saját hatása van a mikrobiális metabolikus aktivitásra, valamint növeli és csökkenti az eltávolítási folyamatot. A pH mérése a talajban jelezheti a mikrobiális növekedés lehetőségét . A magasabb vagy alacsonyabb pH értékek rosszabb eredményeket mutattak; az anyagcsere folyamatok nagyon érzékenyek még a pH kismértékű változásaira is .

Helyszín jellemzése és kiválasztása

A biológiai kármentesítésre vonatkozó javaslat előtt elegendő kármentesítési vizsgálati munkát kell végezni a szennyezés mértékének és kiterjedésének megfelelő jellemzése érdekében. Ennek a munkának legalább a következő tényezőkre kell kiterjednie: teljes mértékben meg kell határozni a szennyezés horizontális és vertikális kiterjedését, fel kell sorolni a mintavételezendő paramétereket és helyszíneket, valamint azok kiválasztásának indoklását, le kell írni a mintavételhez használandó módszereket és az elvégzendő elemzéseket.

Fémionok

A fémek kis mennyiségben fontosak a baktériumok és gombák számára, de nagy mennyiségben gátolják a sejtek metabolikus tevékenységét. A fémvegyületek közvetlen és közvetett hatással vannak a lebomlási sebességre.

Toxikus vegyületek

Néhány szennyező anyag nagy koncentrációban toxikus jellegű, toxikus hatást gyakorolhat a mikroorganizmusokra és lassíthatja a dekontaminációt. A toxicitás mértéke és mechanizmusai az egyes toxikus anyagoktól, azok koncentrációjától és a kitett mikroorganizmusoktól függően változnak. Egyes szerves és szervetlen vegyületek mérgezőek a célzott életformákra.

A bioremediáció elve

A bioremediációt olyan folyamatként határozzák meg, amelynek során a szerves hulladékokat ellenőrzött körülmények között biológiailag ártalmatlan állapotba vagy a szabályozó hatóságok által meghatározott koncentrációs határértékek alatti szintre bontják le. A mikroorganizmusok azért alkalmasak a szennyezőanyag-lebontás feladatára, mert olyan enzimekkel rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy a környezeti szennyezőanyagokat táplálékként használják fel. A bioremediáció célja, hogy optimális mennyiségű tápanyag és más, az anyagcseréjükhöz szükséges vegyi anyagok biztosítása révén munkára ösztönözze őket a környezetre és az élőlényekre veszélyes anyagok lebontása/méregtelenítése érdekében. Minden anyagcsere-reakciót enzimek közvetítenek. Ezek az oxidoreduktázok, hidrolázok, liázok, transzferázok, izomerázok és ligázok csoportjába tartoznak. Számos enzim nem specifikus és specifikus szubsztrát-affinitásuknak köszönhetően figyelemre méltóan széles lebontási kapacitással rendelkezik. Ahhoz, hogy a bioremediáció hatékony legyen, a mikroorganizmusoknak enzimatikusan kell megtámadniuk a szennyező anyagokat és ártalmatlan termékekké alakítaniuk azokat. Mivel a bioremediáció csak ott lehet hatékony, ahol a környezeti feltételek lehetővé teszik a mikrobák növekedését és aktivitását, alkalmazása gyakran magában foglalja a környezeti paraméterek manipulálását annak érdekében, hogy a mikrobák növekedése és lebontása gyorsabban haladjon .

A bioremediáció természetes úton történik, és élőlények és műtrágyák hozzáadásával ösztönzik. A bioremediációs technológia alapvetően a biológiai lebontáson alapul. Ez a szerves toxikus szennyező anyagok teljes eltávolítását jelenti ártalmatlan vagy természetesen előforduló vegyületekké, például szén-dioxiddá, vízzé, szervetlen vegyületekké, amelyek biztonságosak az emberi, állati, növényi és vízi élet számára. Számos mechanizmust és útvonalat tisztáztak a legkülönbözőbb szerves vegyületek biológiai lebomlásához; például oxigén jelenlétében és hiányában is végbemegy.

A bioremediáció előnyei

-természetes folyamat, kevés időt vesz igénybe, mint a szennyezett anyagok, például a talaj elfogadható hulladékkezelési eljárása. A mikrobák képesek lebontani a szennyező anyagot, és számuk a szennyező anyag jelenlétében növekszik. Amikor a szennyező anyag lebomlik, a biológiai lebontó populáció csökken. A kezelés maradékai általában ártalmatlan termékek, beleértve a vizet, a szén-dioxidot és a sejtbiomasszát.

-Az eljárás nagyon kevés erőfeszítést igényel, és gyakran a helyszínen is elvégezhető, gyakran a szokásos tevékenységek nagyobb mértékű megzavarása nélkül. Ez kiküszöböli a hulladékmennyiségek telephelyről történő elszállításának szükségességét és a szállítás során az emberi egészségre és a környezetre jelentkező potenciális veszélyeket is.

-Az eljárás költséghatékonyan alkalmazható, mivel kevesebbet veszít, mint a veszélyes hulladékok megtisztítására használt egyéb hagyományos módszerek (technológiák). Fontos módszer az olajjal szennyezett területek kezelésében .

-A szennyező anyagok teljes megsemmisítésében is segít, a veszélyes vegyületek közül sok ártalmatlan termékké alakítható, és ez a tulajdonsága kiküszöböli a szennyezett anyag kezelésével és ártalmatlanításával kapcsolatos jövőbeli felelősségvállalás lehetőségét is.

-Nem használ veszélyes vegyi anyagokat. Tápanyagokat, különösen műtrágyákat adunk hozzá, hogy aktív és gyors mikrobiális növekedést érjünk el. Gyakran, pázsitokon és kertekben használják. Mivel a bioremediáció a káros vegyi anyagokat vízzé és ártalmatlan gázokká változtatja, a káros vegyi anyagok teljesen megsemmisülnek .

-Egyszerű, kevésbé munkaigényes és olcsó a környezetben betöltött természetes szerepük miatt.

-Környezetbarát és fenntartható .

-Szennyezőanyagok megsemmisülnek, nem pedig egyszerűen átkerülnek más környezeti közegekbe.

-Nem tolakodó, potenciálisan lehetővé teszi a további helyszíni használatot.

-Relatív könnyű kivitelezés .

-Effektív módja a természetes ökoszisztéma számos szennyeződéstől való megtisztításának, és környezetbarát lehetőségként működik.

A bioremediáció hátránya

-A biológiai úton lebomló vegyületekre korlátozódik. Nem minden vegyület hajlamos a gyors és teljes lebomlásra.

-Több aggodalomra ad okot, hogy a biológiai lebomlás termékei tartósabbak vagy mérgezőbbek lehetnek, mint az alapvegyület.

-Biológiai folyamatok gyakran igen specifikusak. A sikerhez szükséges fontos helyszíni tényezők közé tartozik az anyagcserére képes mikrobapopulációk jelenléte, a megfelelő környezeti növekedési feltételek, valamint a tápanyagok és szennyező anyagok megfelelő szintje.

-Nehéz a laboratóriumi és kísérleti léptékű vizsgálatokból a teljes körű terepi műveletekre extrapolálni.

-Kutatásra van szükség olyan bioremediációs technológiák kifejlesztéséhez és tervezéséhez, amelyek alkalmasak a környezetben nem egyenletesen eloszló, összetett szennyezőanyag-keverékeket tartalmazó helyszínekre. A szennyező anyagok szilárd, folyékony és gáz halmazállapotban is jelen lehetnek.

-A kezelés gyakran hosszabb időt vesz igénybe, mint más kezelési lehetőségek, például a talaj kiásása és eltávolítása vagy az égetés.

•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. A mikroorganizmusok aktívan (bioakkumuláció) és/vagy passzívan (adszorpció) veszik fel a nehézfémeket. A mikrobiális metiláció fontos szerepet játszik a nehézfémek bioremediációjában, mivel a metilált vegyületek gyakran illékonyak. Például a higany, Hg (II) számos különböző baktériumfaj, az Alcaligenes faecalis, Bacillus pumilus, Bacillus sp., P. aeruginosa és Brevibacterium iodinium által biometilálható gáznemű metilhiganyra.

A bioremediáció típusai

A bioremediációs eljárások keretében különböző típusú kezelési technológiák vagy technikák léteznek. Az alapvető bioremediációs módszerek a következők: Biostimuláció, csillapítás, augmentáció, szellőztetés és cölöpök.

Biostimuláció

Ez a fajta stratégia meghatározott tápanyagok injektálásával kapcsolódik a helyszínre (talajba/ talajvízbe), hogy serkentse az őshonos mikroorganizmusok aktivitását. Ez az őshonos vagy természetesen meglévő baktérium- és gombaközösség stimulálására összpontosít. Először is műtrágyák, növekedési kiegészítők és nyomelemek bejuttatásával. Másodszor, egyéb környezeti követelmények, például pH, hőmérséklet és oxigén biztosításával, hogy felgyorsítsa anyagcseréjük sebességét és útvonalát. Kis mennyiségű szennyező anyag jelenléte szintén stimuláló hatású lehet a bioremediációs enzimek operonjainak bekapcsolásával. Ez a fajta stratégiai út legtöbbször a tápanyagok és az oxigén hozzáadásával folytatódik, hogy segítse az őshonos mikroorganizmusokat. Ezek a tápanyagok az élet alapvető építőkövei, és lehetővé teszik a mikrobák számára, hogy létrehozzák az alapvető követelményeket, például az energiát, a sejtbiomasszát és az enzimeket a szennyező anyag lebontásához. Mindegyiküknek szüksége van nitrogénre, foszforra és szénre .

Biocsillapítás

A biocsillapítás vagy természetes csillapítás a szennyezőanyag-koncentrációk felszámolása a környezetből. Ez biológiai folyamatokkal történik, amelyek magukban foglalhatják (aerob és anaerob biodegradáció, növényi és állati felvétel), fizikai jelenségeket (advekció, diszperzió, hígulás, diffúzió, illékonyság, szorbció/deszorpció) és kémiai reakciókat (ioncsere, komplexképződés, abiotikus átalakulás).Az olyan kifejezések, mint az intrinsic remediation vagy a biotranszformáció az általánosabb természetes attenuáció meghatározáson belül szerepelnek .

Amikor a környezetet vegyi anyagokkal szennyezik, a természet négyféleképpen működhet a tisztítás érdekében : 1) A talajban és a talajvízben élő apró bogarak vagy mikrobák egyes vegyi anyagokat táplálékként használnak fel. Amikor teljesen megemésztik a vegyi anyagokat, vízzé és ártalmatlan gázokká alakíthatják azokat. 2) A vegyi anyagok a talajhoz tapadhatnak vagy szorbálódhatnak, ami a helyén tartja őket. Ez nem tisztítja meg a vegyi anyagokat, de megakadályozhatja, hogy szennyezzék a talajvizet és elhagyják a helyszínt. 3) Ahogy a szennyezés a talajban és a talajvízben mozog, keveredhet a tiszta vízzel. Ez csökkenti vagy hígítja a szennyezést. 4) Egyes vegyi anyagok, például az olaj és az oldószerek elpárologhatnak, ami azt jelenti, hogy a talajban folyadékból gázokká alakulnak át. Ha ezek a gázok a talaj felszínén a levegőbe jutnak, a napfény elpusztíthatja őket. Ha a természetes csillapítás nem elég gyors vagy nem elég teljes, a bioremediációt vagy biostimulációval, vagy bioaugmentációval fokozzák.

Biougmentáció

Ez a biológiai lebontás egyik mechanizmusa. A szennyező anyagot lebontó mikroorganizmusok (természetes/egzotikus/ mesterséges) hozzáadása a szennyezett területen élő őshonos mikrobapopulációk biológiai lebontó képességének növelésére, ezt a folyamatot bioaugmentációnak nevezzük. A természetes mikroorganizmus-populáció növekedésének gyors növelése és a lebontás fokozása érdekében, amelyek előnyben részesítik a szennyező anyagok helyét. A mikrobákat a kármentesítés helyszínéről gyűjtik, külön tenyésztik, genetikailag módosítják és visszaszállítják a helyszínre. A meggyőzéshez minden lényeges mikroorganizmus megtalálható ott, ahol a talaj és a talajvíz klórozott eténekkel szennyezett, mint például a tetraklór-etilén és a triklór-etilén. Ezt arra használják, hogy az in situ mikroorganizmusok teljes mértékben eltávolítsák és etilénné és kloriddá alakítsák ezeket a szennyeződéseket, amelyek nem mérgezőek .

A bioaugmentáció az a folyamat, amelynek során mesterséges mikrobákat adnak egy rendszerhez, amelyek abioremediátorként működnek az összetett szennyezőanyagok gyors és teljes eltávolítása érdekében. Sőt, a genetikailag módosított mikroorganizmusok azt mutatják és bizonyítják, hogy képesek növelni a környezetszennyező anyagok széles körének lebontási hatékonyságát. Mivel változatos anyagcsereprofillal rendelkeznek, hogy kevésbé összetett és ártalmatlan végtermékké alakuljanak át. A természetes fajok nem elég gyorsak ahhoz, hogy lebontani bizonyos vegyületek így megkönnyíteni kell genetikailag módosított DNS-manipuláció; genetikailag módosított mikrobák járnak lebontani szennyező anyagok sokkal gyorsabb, mint a természetes fajok és nagyban versenyeznek az őshonos fajok, ragadozók és különböző abiotikus tényezők. A géntechnológiával módosított mikroorganizmusok potenciált mutattak a talaj, a talajvíz és az aktív iszap bioremediációjában, és a kémiai és fizikai szennyező anyagok széles körének fokozott lebontó képességét mutatják.

Géntechnológiával módosított mikroorganizmusok (GEM-ek)

A géntechnológiával módosított mikroorganizmus olyan mikroorganizmus, amelynek genetikai anyagát már megváltoztatták a mikroorganizmusok közötti természetes vagy mesterséges géncsere által inspirált géntechnológiai technikák alkalmazásával. Ezt a fajta művészi munkát és tudományos eljárást főként rekombináns DNS-technológiának nevezik. A géntechnológia javult a veszélyes nem kívánt hulladékok felhasználása és megszüntetése laboratóriumi körülmények között a genetikailag módosított szervezetek létrehozásával . Rekombináns élő szervezetek képesek rekombináns DNS-technikával vagy a szervezetek közötti természetes genetikai anyagcserével. Jelenleg képesek beilleszteni a megfelelő gént egy adott enzim termeléséhez, amely képes lebontani a különböző szennyező anyagokat .

A géntechnológiával módosított mikroorganizmusok (GEM-ek) potenciált mutattak a talajban, talajvízben és aktív iszapos környezetben történő bioremediációs alkalmazásokban, és fokozott lebontási képességeket mutatnak a kémiai szennyező anyagok széles körére kiterjedően. A közelmúltban számos lehetőség nyílt a lebontási teljesítmény géntechnológiai stratégiák segítségével történő javítására. Például az ismert metabolikus útvonalak sebességkorlátozó lépései genetikailag manipulálhatók a megnövekedett lebontási sebesség elérése érdekében, vagy teljesen új metabolikus útvonalakat lehet beépíteni a baktériumtörzsekbe a korábban visszahúzódó vegyületek lebontása érdekében. A GEM-ekben négy tevékenységet / stratégiát kell végezni, ezek a következők: (1) az enzimspecifikusság és az affinitás módosítása, (2) útvonalak építése és szabályozása, (3) biofolyamatok fejlesztése, nyomon követése és ellenőrzése, (4) bioaffinitású bioreporter szenzorok alkalmazása kémiai érzékelésre, toxicitáscsökkentésre és végpontelemzésre. A baktériumok alapvető génjeit egyetlen kromoszóma hordozza, de néhány ilyen szokatlan szubsztrát katabolizmusához szükséges enzimet specifikáló gének plazmidokon hordozhatók. A plazmidok szerepet játszanak a katabolizmusban. Ezért a GEM-ek hatékonyan felhasználhatók a biológiai lebontás céljára, és egy olyan kutatási területet képviselnek/jeleznek, amely a jövőben széleskörű következményekkel jár.

A GEM-ek előnye a bioremediációban: A fő funkció a hulladékkal szennyezett helyek helyreállításának felgyorsítása, a szubsztrát lebontásának növelése, nagy katalitikus vagy hasznosítási kapacitás kis mennyiségű sejttömeggel, biztonságos és tisztított környezeti feltételek kialakítása a szennyeződésmentesítés vagy a káros anyagok semlegesítése révén.

A GEM-ek hátránya a bioremediációban: Egy adott szinten megmutatta, hogy a növekedés és a szubsztrátlebontás késleltetése, a szezonális változások és más abiotikus tényezők ingadozása közvetlen és közvetett hatással van a mikrobiális aktivitásra és kapcsolatra; végül a rendszerbe bevezetett idegen módosított törzs a rendszerbe nem reagált és mérhetetlen káros hatást gyakorol a természetes szerkezeti és funkcionális mikroorganizmusok közösségi összetételére és előfordulására.

Bioventing

A bioventing a talajon keresztül történő oxigénszellőztetéssel foglalkozik, hogy a talajban lévő természetes vagy betelepített baktériumok és gombák növekedését serkentse azáltal, hogy oxigént biztosít a meglévő talajmikroorganizmusoknak; valójában az aerob módon lebomló vegyületekben működik. A bioventing alacsony légáramlási sebességet használ, hogy csak annyi oxigént biztosítson, amennyi a mikrobiális tevékenység fenntartásához szükséges. Az oxigénellátás leggyakrabban közvetlen levegőbefecskendezéssel történik a talajban lévő maradék szennyeződésekbe, kutak segítségével. Az adszorbeált üzemanyag-maradványok biológiailag lebomlanak, és az illékony vegyületek is biológiailag lebomlanak, mivel a gőzök lassan mozognak a biológiailag aktív talajban. A kőolajjal szennyezett talaj hatékony bioremediációját bioventing alkalmazásával számos kutató bizonyította.

Biopilek

A biopilek az aerob módon remediálható szénhidrogénekkel szennyezett kiásott talaj “biopilekben” kezelhető. A biopilek (más néven biocellák, biohalmok, bioszilók és komposzthalmok) a kiásott talajban lévő kőolajszennyező anyagok koncentrációjának csökkentésére szolgálnak a biológiai lebomlás ideje alatt. Ebben a folyamatban a bioszilák rendszerét csővezeték- és szivattyúrendszerrel látják el levegővel, amely vagy pozitív nyomás alatt nyomja a levegőt a halomba, vagy negatív nyomás alatt szívja át a levegőt a halmon . A mikrobiális aktivitás a mikrobiális légzés révén fokozódik, majd az adszorbeált kőolajszennyező anyag lebomlásának eredménye magas lett .

Következtetés

A biológiai lebontás nagyon gyümölcsöző és vonzó lehetőség a szennyezett környezet mikrobiális aktivitással történő helyreállítására, tisztítására, kezelésére és helyreállítására. A nem kívánt hulladékanyagok lebomlásának sebességét a biológiai ágensekkel való verseny, az alapvető tápanyagokkal való elégtelen ellátás, a kényelmetlen külső abiotikus feltételek (levegőztetés, nedvesség, pH, hőmérséklet) és a szennyező anyag alacsony biológiai hozzáférhetősége határozza meg. E tényezők miatt a biológiai lebontás természetes körülmények között nem sikeresebb, kevésbé kedvező. Mivel a bioremediáció csak ott lehet hatékony, ahol a környezeti feltételek lehetővé teszik a mikrobák növekedését és aktivitását. A bioremediációt világszerte különböző helyszíneken különböző sikerrel alkalmazták. Az előnyök többnyire nagyobbak, mint a hátrányok, amit jól mutat a technológia alkalmazása mellett döntő helyszínek száma és az idővel növekvő népszerűsége. Általában különböző fajok kerülnek feltárásra a különböző helyszíneken, és ezek hatékonyak az ellenőrzési mechanizmusban.