Jak już napisano wcześniej (czytaj) bioremediacja jest technologią usuwania zanieczyszczeń w środowisku glebowym i wodnym. Wykorzystuje ona organizmy żywe, katalizujące procesy oczyszczania, niszczące lub przekształcające różnego rodzaju zanieczyszczenia w formy mniej szkodliwe. W drugiej części artykułu przedstawione zostaną teoretyczne podstawy bioremediacji w odniesieniu do schematu utleniania produktów ropopochodnych biopreparatami.
Liczba mikroorganizmów, zdolnych asymilować węglowodory ropopochodne, jest stosunkowo niewielka. Są to, w pierwszej kolejności, bakterie, w większości przypadków przedstawiciele rodzaju Pseudomonas, a także określone gatunki grzybów i drożdży. Przeważają wśród nich mikroorganizmy w pełni aerobowe (tlenowce). W mniejszej części mikroorganizmy utleniające węglowodory to tzw. aeroby fakultatywne, czyli organizmy posiadające zdolność egzystowania również w warunkach anaerobowych (beztlenowych). Niezbędny tlen otrzymują w wyniku utleniająco-odbudowujących reakcji z mineralnych nieorganicznych soli, takich jak nitraty, sufaty itd. Trzeba przy tym zaznaczyć, że anaerobowa (beztlenowa) asymilacja węglowdorów jest na razie słabo rozpoznana.
Utlenianie węglowodorów przez mikroorganizmy odbywa się w kilku stadiach. Pierwszym jest adsorpcja molekuł węglowodorów na wierzchniej stronie błony komórkowej. Następnie zachodzi ich dyfuzja przez ścianę komórkową. Trzecie stadium to dyfuzja molekuł węglowodorów przez cytoplazmatyczne membrany, a kolejne – to desorpcja tych molekuł wewnątrz komórki. W dalszej kolejności zachodzą procesy fermentacji, zakwaszenia i utleniania. Ostatnim stadium jest transport produktów reakcji poza komórkę.
Pożywka azotowo-fosforowa
Dla mikroorganizmów niezbędny jest azot i fosfor, który dla przyspieszenia ich rozwoju można dostarczać poprzez dawkowanie specjalnych preparatów. Związkami chemicznymi, najbardziej przystosowanymi do podwyższania koncentracji azotu i fosforu, są wodorofosforan dwuamonowy (NH4)2HPO4 i azotan amonu NH4Cl.
Na cały proces bardzo korzystnie wpływają kompleksowe nawozy mineralne typu amofoski i nitroamofoski. Ilość niezbędnego azotu i fosforu można łatwo ustalić, stosując specjalną metodykę.
Elementarny skład substancji komórkowej przedstawia się za pomocą empirycznej formuły: C5H7O2NP0,1. Zakłada się, że ok. 50% pobieranego węgla wykorzystuje się w konstruktywnej wymianie, tj. jako budulec dla materiału komórkowego w procesie jej reprodukcji, a średnia zawartość węgla w podstawowych produktach ropopochodnych wynosi ok. 85%. Stąd też, na podstawie powyższych informacji, można wyznaczyć elementy i wielkości składające się na bilans procesu utleniania węglowodorów. Stosunek węgla do azotu w elementarnym fragmencie suchej substancji komórkowej wynosi 4,3:1, a stosunek węgla do fosforu – 19,35:1. Z nieskomplikowanych matematycznych operacji wynika, że dla przeprowadzenia bioremediacji gruntów skażonych substancjami ropopochodnymi np. w ilości 10 000 mg (10 gram) substancji ropopochodnej na 1 kg zanieczyszczonego gruntu ilość wymaganego azotu wynosi 100 mg/kg, a fosforu – 20 mg/kg.
Metodyka powyższego wyliczenia przedstawia się następująco:
1. Określenie ogólnej ilości substancji zanieczyszczającej [Q]
Q=C x M
gdzie:
C – koncentracja substancji zanieczyszczającej,
M – masa skażonego gruntu lub wody.
2. Określenie ilości wymaganego azotu (N)
N=Q/10-N0M
gdzie:
N0 – początkowa koncentracja azotu
3. Określenie ilości wymaganego fosforu (P)
P=P/50-P0M
gdzie:
P0 – początkowa koncentracja fosforu
Zastosowanie powyższej metodyki pozwala stwierdzić, że praktycznie wszystkie typy gleb mają określoną i stałą ilość azotu oraz fosforu. Jest to wynik działania różnych mikroorganizmów, takich jak utrwalacze azotu. Najczęściej koncentracja azotu (N0) zawiera się w przedziale od 2,0 do 4,5 mg/kg gleby, a fosforu (P0) w przedziale od 0,5 do 1,5 mg/kg gleby. Tę pozostałą ilość azotu i fosforu (która jest niepotrzebna i niebezpieczna dla środowiska) trzeba odliczyć od ilości rozliczeniowej (czyli tej podstawowej, która powinna budować skład pożywki azotowo-fosforowej). Doprowadzenie do powstania w glebie zbędnej koncentracji może w praktyce skutkować ostrymi i negatywnymi efektami w postaci zniszczenia populacji mikroorganizmów, niezbędnych dla efektywnej bioremediacji.
Optymalnym przedziałem koncentracji dla azotu jest 15-20 mg/kg gleby, a dla fosforu – 3-5 mg/kg. Wprowadzanie do gleby mineralnej pożywki prowadzi się stopniowo, w postaci wodnego roztworu (o stężeniu 0,1-0,2%).
Okresowa chemiczna analiza gleby, na określenie tych kluczowych elementów ma bardzo duże znaczenie, po pierwsze – odzwierciedla realny przebieg procesu bioremediacji, a po drugie – pozwala określić konieczność wprowadzenia korekt i poprawek w proces technologiczny.
Korekta pH
Bardzo ważnym parametrem procesu oczyszczania środowiska z zanieczyszczeń ropopochodnych, który wymaga stałego monitoringu, jest poziom pH gleby lub wody. Bioremediacja to proces oparty na „obróbce” zawartych w ropie naftowej węglowodorów za pomocą mikroorganizmów. W procesie tym mikroorganizmy, tzw. destruktory, utleniają węglowodór do produktów pośrednich, które z kolei stają się źródłem pożywienia dla innych grup mikroorganizmów.
Dla całego procesu bioremediacji decydujące znaczenie ma pierwszy jej etap, podczas którego węglowodory w procesie fermentacji przekształcane są w kwasy tłuszczowe. Istotne znaczenie mają tu mono- i dioksygenazy, czyli enzymy odpowiadające za przemiany biochemiczne, prowadzące do powstania z węglowodorów kwasów tłuszczowych. Mono- i dioksygenazy są alkalicznymi enzymami, co oznacza, że optimum ich efektywności przypada na pH mieszczące się w przedziale 8-9,5. Tymczasem w wyniku gromadzenia się w środowisku produktów reakcji – kwasów tłuszczowych – jego pH charakteryzuje się stałą tendencją do zmniejszania się. Do tego dochodzą, zachodzące równolegle z biotransformacją, procesy chemicznego fotoutleniania, które także przyczyniają się do redukcji pH. Stąd też istotna jest korekta pH, bez przeprowadzenia której, po określonym czasie od rozpoczęcia procesu bioremediacji, może się ono zmniejszyć do wartości 5,0-5,3. To z kolei skutkuje spowolnieniem tempa reakcji biochemicznych, a tym samym prowadzi do wielokrotnego zwiększenia czasu potrzebnego do osiągnięcia wymaganego rezultatu, jakim jest transformacja zanieczyszczeń ropopochodnych w związki bezpieczne dla środowiska. Korektę pH można uzyskać, wprowadzając w skażony grunt wapno gaszone i jego staranne wymieszanie z całą objętością poddanej procesowi bioremediacji gleby. Wymaga to, wykorzystania ciężkiego sprzętu. Korzystniejsze technologicznie jest zastosowanie wodnych roztworów silnych zasad, takich jak NaOH. W tym przypadku wstępnie przygotowuje się roztwór zasadowy o stężeniu 1,5-23%, który potem wprowadza się w skażone poletka, według proporcji 3,5-5 l na 1 m2 powierzchni. Jednak również po zastosowaniu takich roztworów zwykle należy przeprowadzić mieszanie gruntu, dla równomiernego ich rozprowadzenia.
Optymalne warunki powietrzno-wodne
Mikroorganizmy – destruktory węglowodorowe – w większości przypadków są ścisłymi aerobami, dlatego obecność w systemie określonej ilości tlenu jest jednym z najważniejszych czynników w całym procesie. W przypadku bioremediacji wody skażonej węglowodorami dostarczenie tlenu do oczyszczanego systemu nie stanowi większego problemu. W takim przypadku zwykle wykorzystywane są kompresory z napowietrzającymi końcówkami, za pomocą których dotlenia się całą objętość skażonej wody. Bardzo efektywne jest tu stosowanie pomp cyrkulacyjnych. Ich wydajność dobiera się tak, aby całkowita objętość wody została przepompowana w czasie nie dłuższym niż 72 godziny.
Natomiast w przypadku bioremediacji gruntów skażonych substancjami ropopochodnymi zapewnienie dostatecznego stężenia tlenu polega na prowadzeniu prostych prac polowych, takich jak orka, spulchnianie i bronowanie. Standardowe oprzyrządowanie, stosowane do tego celu, pozwala napowietrzać do głębokości 25-30 cm.
Podstawowe metody bioremediacji
Są dwa zasadnicze podejścia do rozwiązywania problemów bioremediacji skażonych gruntów. Pierwsze to stymulacja lokalnej biocenozy, a drugie – zastosowanie specjalnie dobranych mikroorganizmów.
Metoda stymulacji opiera się na wykorzystaniu zdolności lokalnej populacji mikroorganizmów do zmiany typowego jej składu, pod wpływem warunków zewnętrznych, do których w pierwszej kolejności zalicza się występowanie określonych substratów odżywczych. Węglowodorowe skażenie gleby lub wody w pierwszym momencie wpływa destrukcyjnie na mikrobową populację. Jednak po pewnym okresie adaptacji – trwającym od kilku miesięcy do kilku lat – biocenoza w miejscu skażenia osiąga nowy stan równowagi dynamicznej. Priorytetem w tej metodzie jest jak najszybszy rozwój mikroorganizmów – destruktorów, mogących przyswajać węglowodory jako jedyne źródło węgla. Przy sprzyjających warunkach zewnętrznych koncentracja destruktorów może osiągać znaczące wielkości, rzędu nawet 103-104 komórek/g gleby.
Druga metoda oparta jest na wykorzystaniu specjalnie dobranych mikroorganizmów pod kątem posiadania przez nie wysokich właściwości utleniania węglowodorów. Na bazie takich mikroorganizmów zostało wyprodukowanych wiele komercyjnych biopreparatów, które uzyskano w drodze hodowli organizmów – destruktorów, a następnie ich wysuszenia. Technologia zastosowania takich preparatów polega na przygotowaniu roboczej zawiesiny komórek i podaniu jej do zanieczyszczonej węglowodorami wody lub gleby. Koncentracja komórek – destruktorów w roboczej zawiesinie preparatu wynosi 106-108 komórek/ml.
Poprzez wprowadzenie przygotowanego roztworu w skażony grunt uzyskuje się natychmiastową koncentrację pożądanych mikroorganizmów rzędu 104-105 komórek/g gleby.
Jednak adaptacja wszczepionych mikroorganizmów do konkretnego środowiska nie zawsze przebiega równomiernie, a większy potencjał adaptacyjny posiadają „miejscowe” mikroorganizmy – destruktory. Przy zastosowaniu komercyjnych biopreparatów często występuje nawet sytuacja, w której koncentracja wszczepionych komórek w pierwszych 48 godzinach zmniejsza się o kilka rzędów, osiągając praktycznie poziom tła. Jest to związane z szokiem lub wręcz antagonizmem pomiędzy mikroorganizmami przeszczepionymi a lokalnymi.
Bardzo ważnym problemem, wspólnym dla metody stymulacji miejscowej biocenozy i stosowania specjalnie dobranych mikroorganizmów – destruktorów, są dyfuzyjne ograniczenia w przebiegu wewnątrzkomórkowego transportu substratów węglowodorowych. Biotransformacja węglowodorów, to kaskada reakcji biochemicznych, katalizowanych enzymami i przebiegających w przestrzeni wewnątrzkomórkowej. Koncentracja docelowych enzymów wewnątrz komórek może być bardzo wysoka. Kaskadowy proces jako całość jest limitowany przez dyfuzję substratu węglowodorowego do wnętrza komórki. Zastosowanie jednej z wymienionych technologii zapewnia praktyczny rezultat tylko przy ścisłym wypełnianiu całego zespołu przedsięwzięć technologicznych, w których skład wchodzą prawidłowe dostosowanie źródeł azotu i fosforu, monitoring i korekta pH oraz stworzenie optymalnego reżimu powietrzno-wodnego.
Bardziej skomplikowane przypadki
Szybkość przesiąkania i filtracji substancji ropopochodnych dla niektórych typów gruntów może osiągać bardzo znaczące wielkości, a przy chronicznych albo awaryjnych rozlewach głębokość przenikania substancji ropopochodnych może być bardzo duża i sięgać nawet kilkudziesięciu metrów. W powyższych sytuacjach podstawowe działania nie są wystarczające, stąd też opracowano jeszcze inne metody, które dzielą się na dwa podstawowe warianty. Mowa o metodach „in situ” oraz „ex situ”.
Metoda „in situ” to wariant bioremediacji odbywający się na miejscu, czyli w terenie, w którym doszło do skażenia. We wstępnym etapie, w celu określenia wszystkich charakterystyk skażenia głębinowego, w miejscu zanieczyszczenia należy przeprowadzić szereg niezbędnych prac badawczych (badania hydrologiczne, geologiczne i analityczne). Na podstawie uzyskanych wyników opracowuje się projekt oczyszczania, który określa m.in. głębokość wiercenia otworów niezbędnych dla przeprowadzenia skutecznego oczyszczania. Część z nich wykorzystuje się dla aktywnej aeracji, inne – do wprowadzania roztworów roboczych biopreparatów i niezbędnych soli mineralnych. Podstawowym problemem tej technologii jest trudność prowadzenia kontroli przebiegu procesu bioremediacji oraz możliwego rozprzestrzeniania skażenia, na skutek wymuszonej migracji substancji ropopochodnych. Dodatkowo metoda „in situ” wymaga specjalistycznego zabezpieczenia aparaturowo-technologicznego i – ze względu na szereg utrudnień – jest ona mało praktyczna.
Wykopanie skażonego gruntu oraz jego transport wraz obróbką na specjalnie obwałowanych poletkach, tzw. biosekcjach, to zasadnicze elementy metody „ex situ”. Dla efektywnego przebiegu procesu istotne znaczenie ma konstrukcja biosekcji. Może ona być bardzo różnorodna i uzależniona jest od objętości obrabianego gruntu i wykorzystywanej techniki. Głównym przeznaczeniem biosekcji jest niedopuszczenie do migracji węglowodorów i wykluczenie możliwości tzw. wtórnego skażenia gruntu rodzimego, na którym posadowione są biosekcje. Można to osiągnąć poprzez hydroizolację dolnej części biosekcji. Zwykle wykorzystuje się betonowe płyty z hydroizolacją szwów, asfaltowe pokrycia albo materiały polimerowe o dostatecznej wytrzymałości. Przy braku wszystkich ww. materiałów można wykorzystać plac z zagęszczonego gruntu gliniastego. Na brzegach biosekcji wykonuje się obwałowanie, wykorzystując w tym celu wodoodporne materiały. Wysokość skażonego gruntu, układanego w sekcji, zależy od konkretnego oprzyrządowania, które planuje się wykorzystać do rozpulchniania i mieszania gruntu, jednak zasadniczo nie powinna ona przekraczać 25-30 cm. W przypadku, kiedy ogólna objętość skażonego gruntu jest bardzo duża, a obiektywne przyczyny nie pozwalają na budowę biosekcji o odpowiednich rozmiarach, stosuje się warstwową obróbkę skażonego gruntu.
Wpływ wilgotności i typu gruntu
Podtrzymanie określonej wilgotności gruntu jest jednym z niezbędnych warunków zakończenia procesu bioremediacji z sukcesem. Z punktu widzenia wszystkich technologicznych parametrów, optymalną wilgotnością dla procesu jest przedział 15-17% zawartości wody w oczyszczanej masie. W przypadku większej wilgotności procesy wymiany tlenu w obrabianej masie ulegają radykalnemu opóźnieniu. Z kolei mniejsza wilgotność prowadzi do pogorszenia żywotności mikroorganizmów utleniających węglowodory, do obniżenia ich koncentracji w glebie, a w konsekwencji do zmniejszenia szybkości bioremediacji. W rejonach o suchym i gorącym klimacie podtrzymanie optymalnej wilgotności staje się parametrem krytycznym. W takiej sytuacji, dla zapobieżenia wyparowaniu wody z powierzchni obrabianego gruntu, stosowana jest polimerowa folia, którą nakrywa się powierzchnię biosekcji lub część odkrytego gruntu podlegającego bioremediacji.
Przed podjęciem bioremediacji
Kryteria oddziaływania skażeń i wielkości dopuszczające występowanie różnych substancji ropopochodnych ustala się według określonej procedury. Najpierw należy określić zawartość kontrolowanego skażenia w glebie w środowisku sąsiadującym z miejscem skażenia. Uzyskane wyniki przyjmuje się za tło regionalne. Dla określenia poziomu tła regionalnego korzysta się często z baz danych monitoringu środowiska przyrodniczego, pozostających w posiadaniu administracji publicznej. Bardzo ważnym elementem jest tutaj najwyższe dopuszczalne stężenie (NDS), które należy określić, a w sytuacjach problematycznych – porozumieć się z miejscowymi organami ochrony środowiska i inspekcją sanitarną, w celu podjęcia decyzji o rozpoczęciu bioremediacji i koordynacji działań.
Po przeprowadzeniu inspekcji terytorium skażonego ropą i produktami ropopochodnymi i podjęciu decyzji o rozpoczęciu działań rekultywacyjnych należy zrealizować szereg obowiązkowych działań, do których należy:
- określenie centrum rozlewu ropy i produktów ropopochodnych,
- wyznaczenie kierunków spływu ropy i produktów ropopochodnych na powierzchni terenu skażonego oraz w profilu glebowym,
- określenie potencjalnej strefy skażenia,
- identyfikacja substancji zanieczyszczających,
- ustalenie, czy skażeniu substancjami ropopochodnymi towarzyszy zanieczyszczenie gleb metalami ciężkimi,
- ustalenie stopnia skażenia gleb i roślinności oraz wód,
- określenie możliwości samooczyszczenia gleb i wymaganej efektywności działań podejmowanych w związku z likwidacją skażenia,
- ocena uszczerbku w środowisku przyrodniczym i rolnictwie.
Gdy nieznane jest pochodzenie zanieczyszczeń, w pierwszej kolejności należy prześledzić najbardziej prawdopodobne miejsca skażenia, do których zalicza się zakłady przemysłu rafineryjnego, rurociągi naftowe, magazyny paliw, przedsiębiorstwa zaopatrzenia w produkty naftowe, tereny stacji benzynowych.
W przypadku właściwego zastosowania bioremediacji okazuje się ona być skutecznym narzędziem ochrony środowiska. Potwierdzają to także badania, w których stosuje się różne preparaty mikrobiologiczne. O wynikach takich badań i roli ww. preparatów będzie można przeczytać w kolejnej części tego artykułu.
Wykorzystano materiały pozyskane z ośrodka zajmującego się likwidacją rozlewów ropy naftowej i produktów ropopochodnych (Biuro ekologicznych problemów – Tybet. Moskwa 2005), przedsiębiorstwa zajmującego się utylizacją odpadów ropopochodnych – Giełołajn Grup (Moskwa 2005) oraz z firmy zajmującej się rekultywacją – bioremadiacją środowiska (Sankt Petersburg 2005r.).
fot. na otwarcie pixabay.com
Czytaj też:
Bioremediacja, czyli jak oczyścić grunty z zanieczyszczeń ropopochodnych
Bioremediacja, czyli jak oczyścić grunty z zanieczyszczeń ropopochodnych. Cz. III
