Bioremediacja jest technologią usuwania zanieczyszczeń w środowisku glebowym i wodnym. W tym procesie wykorzystywane są organizmy żywe (głównie mikroorganizmy, a wśród nich bakterie), które katalizują procesy oczyszczania, niszczą lub przekształcają różnego rodzaju zanieczyszczenia w formy mniej szkodliwe. Końcowymi produktami efektywnie przeprowadzonego procesu bioremediacji są bowiem głównie dwutlenek węgla i woda. Są one nietoksyczne i mogą być bez szkody przyswajane przez środowisko.
Kiedy można mówić o skażeniu gleb ropą i produktami ropopochodnymi? Z taką sytuacją mamy do czynienia w przypadku zwiększenia koncentracji powyższych związków do poziomu, przy którym:
- narusza się ekologiczną równowagę w systemie glebowym,
- zachodzi zmiana morfologicznych, fizyko-chemicznych i chemicznych charakterystyk gleb,
- zmieniają się właściwości fizykowodne gleb,
- narusza się wzajemny stosunek między oddzielnymi frakcjami związków organicznych gleby, w szczególności między składowymi lipidową i humusową,
- zachodzi niebezpieczeństwo wymywania z gleby ropy i produktów ropopochodnych i powtórnego skażenia gruntów i powierzchni wody.
Poziom dopuszczalnej koncentracji ropy i produktów ropopochodnych w glebach, przy którym nie obserwuje się wyliczonych powyżej zjawisk, nie wszędzie jest jednakowy. Różni się on w zależności od strefy glebowo-klimatycznej, typu gleby oraz zestawu ropy i produktów ropopochodnych, będących w glebie.
Wśród przyczyn skażenia środowiska ropą i substancjami ropopochodnymi wymienia się liczne przypadki wylewów, przecieków, rozlewów oraz niekontrolowanego bądź awaryjnego zrzutu. Takie zanieczyszczenie przynosi bardzo duży uszczerbek gospodarce rolnej, środowisku, a zwłaszcza florze i faunie. Źródłem powstawania polichlorowanych związków organicznych są zakłady rafineryjno-petrochemiczne, przedsiębiorstwa chemii przemysłowej, przemysłu celulozowo-papierniczego, hutniczego i innych branż. Podobnym niebezpieczeństwem dla człowieka są dioksyny i dioksynopodobne toksykanty, np. polichlorobifenyle. Ze względu na swoją szczególną toksyczność, kancerogenność i mutagenność można je nazwać „superekotoksykantami”. Źródłem powstawania policyklicznych aromatycznych ekotoksykantów, np. benzo(a)pirenu, są procesy cieplne, związane z przeróbką cieplną lub spalaniem substancji organicznych. Dużą grupę organicznych ekotoksyn stanowią też pestycydy lub odpady pestycydopodobne.
Na terenach wysoko uprzemysłowionych duża część gleb i ziemi jest skażona różnego rodzaju związkami toksycznymi. W pierwszej kolejności metalami ciężkimi w tym zawierającymi je związkami radioaktywnymi. Obok nich występują organiczne ekotoksyny reprezentowane przez ropę, polichlorowane produkty ropopochodne oraz przez policykliczne węglowodory aromatyczne.
Kontrola skażonych gleb
Kryteria oddziaływania skażeń i wielkości dopuszczalnych stężeń substancji ropopochodnych ustala się według specjalnej procedury. Na początku należy określić zawartość kontrolowanego skażenia w glebie, w obrębie sfery lokalnego oddziaływania antropogenicznego. Dane te przyjmuje się za tło regionalne. Aby wyznaczyć poziom tła, korzysta się z prowadzonych przez administrację terenową baz danych, dotyczących hydrometeorologii i monitoringu środowiska. Ekologiczno-higieniczny skład gleby ustala się według najwyższej koncentracji substancji chemicznych w glebie (NDS – najwyższe dopuszczalne stężenie). Jeśli poziom NDS-u nie jest wyznaczony, wówczas działania koordynuje się z miejscowymi organami ochrony przyrody i organami sanitarnymi, w celu podjęcia decyzji o uruchomieniu rekultywacji. Inspekcja na terytorium skażonym ropą i produktami ropopochodnymi to zespół następujących obowiązkowych działań:
- określenie wskaźnika i centrum rozlewu ropy i produktów ropopochodnych,
- oznaczenie spływu ropy i produktów ropopochodnych na powierzchni terenu skażonego i w profilu glebowym,
- wyznaczenie kierunku poruszania się potoku i możliwej dalszej strefy skażenia,
- identyfikacja substancji zanieczyszczających,
- ustalenie charakteru towarzyszącego skażeniu gleb metalami ciężkimi i substancjami ropopochodnymi,
- wskazanie stopnia i charakteru transformacji gleb i roślinności, skażenia wód,
- określenie możliwości samooczyszczenia gleb i efektywności działań w związku z likwidacją następstwa skażenia,
- przeprowadzenie inspekcji oraz ocena strat w środowisku przyrodniczym i rolniczym.
Podstawą metody kontroli jest poznanie morfologii profilu glebowego z określeniem zawartości ropy i produktów ropopochodnych w typowych glebach i wodach gruntowych. Niezbędna jest wiedza o wynikach szczegółowych badań terenu. W pierwszej kolejności należy prześledzić najbardziej prawdopodobne źródła skażenia, do których zalicza się zakłady przemysłu rafineryjnego, rurociągi naftowe, magazyny paliw, przedsiębiorstwa zaopatrzenia w produkty naftowe czy stacje benzynowe.
Projektowanie procesu bioremediacji
Wśród technologii bioremediacji wymienia się bioremediację podstawową, biostymulację, bioaugmentację i elektrobioremediację.
Najważniejszą jej zaletą jest fakt, że bioremediacja może być stosowana na miejscu, gdzie doszło do skażenia środowiska (in situ), bez żadnych skomplikowanych urządzeń. Oprócz zalet bioremediacja posiada też wady. Technologii tej nie można zastosować do każdego rodzaju zanieczyszczeń. Wiele zależy również od warunków panujących w miejscu, które należy poddać oczyszczeniu, oraz od czasu, w jakim skażenie powinno być usunięte. Pomimo tych ograniczeń bioremediacja jest bardzo efektywną metodą odnawiania środowiska przyrodniczego. Bardzo ważne są także zalety ekonomiczne wynikające z prowadzenia bioremediacji w porównaniu z innymi chemicznymi czy fizycznymi procesami. To one są głównym powodem dość dużego jej zastosowania (póki co, poza granicami Polski).
Jak już wspomniano, bioremediacji nie można zastosować w dowolnym miejscu i okolicznościach. Technologia ta opiera się na wykorzystaniu określonych gatunków mikroorganizmów, utleniających wielopierścieniowe węglowodory, lub różnego rodzaju preparatów biochemicznych. Proces bioremediacji jest uwarunkowany zdolnością poszczególnych mikroorganizmów do asymilowania węgla z molekuł węglowodorowych w konstruktywnej i energetycznej przemianie. Przebiega on w kilku etapach. W ich trakcie zachodzi biochemiczna transformacja toksycznych węglowodorów w związki, które nie stanowią zagrożenia dla funkcjonowania ekosystemów i dla zdrowia człowieka. Efektywność bioremediacji jest całkowicie determinowana przez warunki atmosferyczne, hydrologiczne, geologiczne, charakterystyczne dla obszaru, który ma być poddany temu procesowi. Bardzo ważne jest przeprowadzenie wstępnych testów laboratoryjnych. Ich wyniki są podstawą do podejmowania dalszych decyzji co do szczegółowych rozwiązań bioremediacji. Badania określają rodzaj i strukturę substancji chemicznych, stanowiących skażenie. Są to parametry jednoznacznie określające ich podatność lub oporność na proces biodegradacji.
Rys. Schemat procesu bioremediacji
Rodzaje bioremediacji
Wspomniano już, że można wyróżnić kilka rodzajów procesów bioremediacji. Pierwszy to bioremediacja podstawowa, czyli proces, podczas którego dochodzi do obniżenia koncentracji polutanta (substancji zanieczyszczającej) w gruncie do bezpiecznego poziomu w określonych i akceptowalnych ramach czasowych wykorzystywana jest tylko naturalna mikroflora skażonego gruntu. Nie wymaga ona żadnej dodatkowej interwencji, poza monitoringiem naturalnego procesu biodegradacji skażenia.
Drugi rodzaj to biostymulacja, stosowana, gdy tempo naturalnego procesu bioremediacji jest niewystarczające. Wtedy wykorzystuje się stymulację rodzimej mikroflory, w celu przyspieszenia procesu oczyszczenia gleby z zanieczyszczeń. Czynniki ograniczające naturalną biodegradację to skrajnie wysokie stężenie substancji stanowiącej skażenie, niedobór tlenu, niekorzystne pH, niedobór substancji mineralnych zawierających azot i fosfor, zbyt niska wilgotność oraz niesprzyjająca temperatura. W celu zwiększenia tempa procesu naturalnej biodegradacji stosuje się różne metody modyfikacji warunków środowiskowych, głównie natlenianie i dodawanie pożywek.
Mówiąc o natlenianiu, warto zwrócić uwagę na fakt, iż dostępność tlenu cząsteczkowego istotnie wpływa na biodegradację różnych związków chemicznych. Ograniczony dostęp tlenu to jeden z najbardziej negatywnych czynników, niekorzystnie wpływających na proces bioremediacji, w przypadku zanieczyszczenia węglowodorami lub innymi biodegradowalnymi polutantami. Najczęściej spotykane procesy natleniania rekultywowanego terenu to:
- wentylacja, zwiększająca poziom koncentracji tlenu w zanieczyszczonym gruncie poprzez iniekcję, czyli wtłaczanie powietrza pod zwiększonym ciśnieniem przez układ przewodów – drenów umieszczonych w skażonym gruncie,
- stosowanie rozcieńczonych roztworów wody utlenionej, której rozkład w gruncie powoduje uwolnienie tlenu i umożliwia spulchnianie gruntu metodami mechanicznymi.
- Do drugiej grupy działań stymulujących należy wzbogacanie pożywkami. Tempo procesu biodegradacji może być limitowane, poprzez ograniczenie substancji odżywczych. Największy wpływ na ten proces mają związki azotu i fosforu, gdyż to dostępność tych pierwiastków jest parametrem krytycznym procesu bioremediacji. W warunkach deficytu azotu i fosforu wzrost efektywność bioremediacji można uzyskać po zastosowaniu nawozów azotowych i fosforowych. Nawóz, czyli pożywka wykorzystywana w technice bioremediacji in situ, powinien spełniać kryteria, które czynią go użytecznym, a mianowicie efektywne uwalnianie azotu i fosforu w krótkim czasie, łatwa dostępność nawozu w dużych ilościach oraz niska cena (nawóz nie powinien wymagać skomplikowanego transportu oraz trudnych technik aplikacyjnych do gruntu). Wśród nawozów stosowanych w procesie bioremediacji występują trzy grupy preparatów, różniących się właściwościami fizycznymi, budową chemiczną oraz zawartością pierwiastków biogennych – azotu i fosforu:
- ciekłe nawozy hydrofobowe – to preparaty o zdolności przylegania do substancji stałych, takich jak piasek, gleba czy kamienie. Wytwarzają one jednolitą powłokę, z której – do gleby lub wody – powoli uwalniane są azot i fosfor. Znajdują zastosowanie przede wszystkim na wybrzeżach akwenów (łatwo rozpuszczalny preparat odżywczy mógłby być szybko wypłukany przez fale).
- nawozy w fazie stałej – występują w postaci granulek, powoli uwalniających azot i fosfor w wyniku rozpuszczania lub rozpadu w przypadku kontaktu z wodą.
- wodne roztwory nawozów, zawierające rozpuszczalne formy azotu i fosforu. Stosowanie tych preparatów polega na ich rozpylaniu na powierzchni skażonego terenu. Zaletą preparatu jest łatwość penetrowania do głębszych warstw gruntu, co jest bardzo pożądane, gdyż substancje toksyczne właśnie tam występują w największych koncentracjach.
Kolejny rodzaj to bioaugmentacja. Polega ona na zwiększaniu populacji mikroorganizmów. Proces ten ma za zadanie wzbogacenie zanieczyszczonego terenu w specjalnie wyselekcjonowane bakterie, o dużej zdolności do biodegradacji skażeń. Bioaugmentację stosuje się w przypadku, gdy rodzima populacja bakterii na skażonym terenie nie wykazuje pożądanej aktywności w kierunku biodegradacji zanieczyszczeń. Ma to miejsce w przypadku skażenia związkami chemicznymi o bardzo dużej oporności na proces biodegradacji, kiedy zawodzą prostsze technologie, tj. bioremediacja podstawowa albo biostymulacja. Celem tego zabiegu jest zwiększenie tempa lub/i rozmiaru biodegradacji polutanta.
Elektrobioremediacja to duża grupa metod oczyszczania gruntu, wykorzystujących zjawiska mikrobiologiczne i chemiczne. Bezpośrednie oddziaływanie pola elektrycznego na roztwór elektrolitu znacznie przyspiesza przepływ przez porowatą fazę stałą i pozwala kontrolować jego kierunek. Zastosowanie pola elektrycznego, w połączeniu z odpowiednimi substancjami dodatkowymi (pożywki, akceptory elektronów), powoduje wytworzenie korzystnych warunków biodegradacji zanieczyszczeń, podatnych na ten proces.
Praktyczne zastosowanie bioremediacji
Najczęściej spotykanymi polutantami, w stosunku do których stosuje się techniki bioremediacji, są węglowodory. Grunty i wody gruntowe, zanieczyszczone produktami ropopochodnymi, stanowią ok. 60% obszaru, gdzie proces ten znajdzie zastosowanie.
W większości przypadków, przy tego rodzaju skażeniu, za najskuteczniejszą pod względem technologicznym i najkorzystniejszą ekonomicznie uważa się metodę biostymulacji.
Typowa procedura bioremediacji obszaru zanieczyszczonego węglowodorami zaczyna się od mikrobiologicznej i chemicznej analizy skażonego miejsca. Dodatkowo korzystne jest wykonanie analizy zawartości tlenu w glebie i jej przepuszczalności dla tlenu. Na podstawie uzyskanych wyników dokonuje się wyboru optymalnej strategii bioremediacji, w celu oczyszczenia terenu. W przypadku skażenia wód gruntowych, poza doborem odpowiedniej metody neutralizującej zanieczyszczenie, stosuje się także techniki zapobiegające rozprzestrzenianiu się skażonej wody gruntowej. W tym celu izoluje się studnie, ujęcia wodne oraz inne wrażliwe miejsca od zanieczyszczonego terenu poprzez zastosowanie barier fizycznych z cementu czy bentonitu lub wykorzystuje się metody dynamiczne, np. wypompowywanie skażonej wody gruntowej.
W przypadku bioremediacji terenów skażonych chlorowcopochodnymi węglowodorów aromatycznych, metanu oraz etanu mamy do czynienia z wtórnym zanieczyszczeniem gruntu związkami toksycznymi. Niektóre z wymienionych niżej substancji ulegają anaerobowej dehalogenacji, inne nie mogą służyć jako źródło węgla w warunkach zarówno aerobowych, jak i anaerobowych. Związki te są atakowane przez mikroorganizmy w wyniku kometabolizmu w obecności metanu lub toluenu tylko w warunkach tlenowych. Jest to możliwe, ponieważ mikroorganizmy metanotrofowe wytwarzają monooksygenazę, której obecność umożliwia degradację trichloroetanu (TCE), dichloroetanu (DCE) oraz chlorku winylu.
Skażenia zbiorników wodnych produktami ropopochodnymi mają bardzo silny wpływ na ekosystemy przybrzeżne. Bioremediacja służy złagodzeniu skutków ich zanieczyszczeń. W przypadkach zanieczyszczenia terenów przybrzeżnych na skutek wycieku ropy naftowej lub produktów petrochemicznych zastosowanie metody jest uzasadnione ze względu na skalę zjawiska. Jednak przy katastrofach tankowców posługiwanie się jakimikolwiek technikami fizyczno-chemicznymi napotyka na nieprzekraczalne bariery z punktu widzenia pracochłonności i ogromnych nakładów finansowych. W powyższych sytuacjach najczęściej stosowaną techniką bioremediacji jest biostymulacja. Taką metodę wykorzystano m.in. przy oczyszczaniu wybrzeży Alaski po katastrofie tankowca Exxon Valdez w 1989 r. W niektórych przypadkach można również opierać się na rodzimych mikroorganizmach, bez wspomagania ich z zewnątrz, ograniczając się jedynie do monitorowania przebiegających procesów. Taką strategię wybrano, chcąc zminimalizować skutki wycieku z tankowca Amico Cadiz u wybrzeży północnej Francji (1978 r.).
fot. na otwarcie pixabay.com
