Bioremediacja

Arkusze danych - NBSOIL - Odporność na zmiany klimatu, Regeneracja gleby, Cykl węglowy i gazy cieplarniane

Fito-oczyszczanie Oczyszczanie gleby Dekontaminacja Mikrobiologia Mykoremediacja Glony Grzyby Bakterie

Proces bioremediacji

Bioremediacja to proces wykorzystujący organizmy żywe, takie jak bakterie, grzyby czy rośliny (fitoremediacja), do dekontaminacji zanieczyszczonej gleby, wody lub powietrza. Organizmy te degradują, neutralizują lub przekształcają zanieczyszczenia w związki mniej toksyczne lub nieszkodliwe dla środowiska.

Po co dekontaminować gleby?

Wraz z szybkim rozwojem światowej gospodarki, nadmierna eksploatacja i wydobycie zasobów naturalnych prowadzą do ciągłego uwalniania metali ciężkich do środowiska, w szczególności w wyniku działalności takiej jak górnictwo i spalanie paliw kopalnych. Metale te są toksyczne dla środowiska oraz zdrowia ekosystemów, zwierząt i ludzi. Według Komisji Europejskiej szacuje się, że 2,8 miliona miejsc w Europie jest potencjalnie zanieczyszczonych..

Główne zanieczyszczenia

Węglowodory i metale (oraz półmetale) to dwie główne grupy zanieczyszczeń wpływających na gleby i wody gruntowe we Francji.

Węglowodory

Zanieczyszczają one 61% gleb i 64% wód gruntowych w zanieczyszczonych miejscach wymienionych w bazie danych „Basol”. Ogólnie rzecz biorąc, różne rodziny węglowodorów (minerały, węglowodory chlorowane, WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne)) odpowiadają za 65% wszystkich zanieczyszczeń gleby i wód gruntowych.

Metale i metaloidy

Zanieczyszczają one 48% gleb i 44% wód gruntowych w zanieczyszczonych miejscach i stanowią prawie 25% zanieczyszczeń występujących w glebach i wodach. Ołów, chrom i miedź to najczęściej wykrywane metale. Ołów występuje w 17% gleb i 9% wód gruntowych. Chrom i miedź występują w 14% gleb i 7% wód gruntowych..

Gdzie znajdują się zanieczyszczone miejsca?

• 

  Przekroczenie dopuszczalnych wartości metali ciężkich w osadach ściekowych (na zielono)

• 

  Przekroczenia dopuszczalnych wartości dla kadmu, miedzi, rtęci i cynku (na czerwono)

• 

  Pozostałości pestycydów w liczbie znalezionych substancji (ciemnoczerwony: >10; czerwony: 6 do 10; żółty: 2 do 5;: 1; biały: 0)

Interaktywne mapy z tego samego raportu są dostępne tutaj.

Metody tradycyjne

Remediację gleby można przeprowadzić poprzez:

• Wykopy: Zanieczyszczona gleba jest wykopywana (usuwana) i transportowana do specjalistycznych ośrodków oczyszczania.
• Izolacja: Zanieczyszczenia są izolowane lub unieruchamiane w glebie, aby zapobiec ich rozprzestrzenianiu się (stała matryca, warstwa nieprzepuszczalna). Stosowane, gdy wykopy nie są możliwe.
• Obróbka termiczna:
  • Spalanie: Gleba jest podgrzewana do bardzo wysokich temperatur w celu rozkładu związków organicznych.
  • Desorpcja termiczna: Lotne zanieczyszczenia są podgrzewane w celu odparowania, a następnie wychwytywane.
• Płukanie gleby: Gleba jest płukana wodą, rozpuszczalnikami lub roztworami chemicznymi w celu ekstrakcji zanieczyszczeń. Drobne cząstki lub zanieczyszczenia rozpuszczalne są oddzielane poprzez mieszanie lub wirowanie. Ścieki są następnie oczyszczane oddzielnie.
• Ekstrakcja lub stabilizacja chemiczna: Zastosowanie odczynników chemicznych w celu rozpuszczenia lub przekształcenia zanieczyszczeń i wydobycia ich z gleby lub uczynienia ich mniej mobilnymi/toksycznymi. Połowa zanieczyszczonej gleby jest wydobywana lub składowana w wyspecjalizowanych miejscach (wykopy: 29%; składowanie: 19%), ale 25% tej gleby jest poddawane obróbce biologicznej.

Bioremediacja

Istnieją różne rodzaje bioremediacji.

Stymulować czy dodawać mikroorganizmy?

Biostymulacja (lub bioremediacja wewnętrzna)

Polega ona na zwiększeniu aktywności rodzimej mikroflory danego środowiska poprzez kompensację niedoboru podstawowego pierwiastka niezbędnego do biodegradacji węglowodoru, poprzez dostarczenie składników odżywczych i/lub końcowych akceptorów elektronów (tlenu, azotanów, siarczanów), takich jak:

• Rozpuszczalne w wodzie nawozy mineralne do użytku rolniczego lub ogrodniczego, składające się z azotu i fosforu,
• Stałe media o powolnym uwalnianiu: N i P w połączeniu ze stałym pierwiastkiem węglowodorowym,
• Ciekłe media oleofilowe opracowane w celu zapewnienia dostarczania składników odżywczych jak najbliżej aktywności bakterii (na granicy faz woda-węglowodór).

Bioaugmentacja

Polega ona na dodaniu „mikroorganizmów egzogennych” do środowiska charakteryzującego się brakiem lub niską liczebnością bakterii węglowodoroklastowych. Zazwyczaj przeprowadza się ją poprzez rozpylanie uwodnionego liofilizowanego produktu.

Różne techniki bioremediacji

Biostosy

Zasada działania biostosu, BRGM, 2023

Jest to technika oczyszczania „ex situ”, która stymuluje aktywność mikroorganizmów tlenowych lub fakultatywnie tlenowych odpowiedzialnych za biodegradację zanieczyszczeń w glebie. Zasadniczo zanieczyszczone gleby są wykopywane i układane w pryzmy (biostosy), zazwyczaj o wysokości od 0,91 do 3,05 m, z ograniczonymi ograniczeniami szerokości i długości. Biostos musi być zaprojektowany i obsługiwany tak, aby zapewnić optymalne warunki temperatury, wilgotności, napowietrzenia i składników odżywczych, sprzyjające biodegradacji docelowych zanieczyszczeń. Biodegradacja jest zazwyczaj przeprowadzana przez rodzime mikroorganizmy, ale czasami konieczne może być dodanie specyficznych mikroorganizmów. Dodanie środków strukturujących, takich jak zrębki drzewne i dodatki, może być konieczne w celu poprawy cyrkulacji powietrza w ogniwie biopaliwowym i przyspieszenia procesów biodegradacji. .

Bioreaktory

Eksploatacja bioreaktora, BRGM, 2023

Technika ta polega na mieszaniu zanieczyszczonej gleby z wodą i różnymi dodatkami w celu zawieszenia cząstek gleby w wodzie i utworzenia zawiesiny. Powstały osad jest poddawany biologicznemu oczyszczaniu w bioreaktorach, a następnie odwadniany.. Celem jest zwiększenie powierzchni kontaktu między zanieczyszczeniami a mikroorganizmami odpowiedzialnymi za ich biodegradację w kontrolowanym środowisku..

Naturalne tłumienie

Naturalne tłumienie nie jest w ścisłym tego słowa znaczeniu uważane za technikę remediacji, lecz raczej za środek zarządzania zanieczyszczeniami. Odbywa się ono bez bezpośredniej ingerencji człowieka (poza monitoringiem) i ma na celu zmniejszenie masy, toksyczności, ruchliwości, objętości lub stężenia zanieczyszczeń. Urządzenia monitorujące, głównie piezometry, umożliwiają monitorowanie szeregu parametrów: stężeń zanieczyszczeń, stężeń gazów rozpuszczonych, stężeń akceptorów elektronów, stężeń OWO, liczebności bakterii, parametrów fizykochemicznych oraz efektu odbicia. .

[Plik:Principe du bioventing.jpg|miniaturka|Principe du bioventing, BRGM, 2023]]

Biowentylacja

Zasada biowentylacji, BRGM, 2023

Biowentylacja polega na stymulacji rodzimych mikroorganizmów poprzez dodanie gazu (zazwyczaj powietrza) w celu rozkładu zanieczyszczeń organicznych (zazwyczaj węglowodorów ropopochodnych) obecnych w glebie nienasyconej. Powietrze jest najczęściej wstrzykiwane do strefy aeracji (strefy nienasyconej), ale w niektórych miejscach można je również stamtąd pobierać. Najczęstszym zastosowaniem biowentylacji jest wprowadzenie powietrza w celu zwiększenia stężenia tlenu powyżej 5% w celu stymulacji biodegradacji zanieczyszczeń węglowodorami ropopochodnymi..

Biowentylacja

Zasada gospodarowania gruntami, BRGM, 2023

Biospargowanie polega na stymulacji biodegradacji poprzez zwiększenie poziomu tlenu rozpuszczonego w glebie lub wodzie poprzez otwory wtryskowe. Wtłaczane powietrze umożliwia przede wszystkim wzrost populacji drobnoustrojów tlenowych, ale także ułatwia kontakt między powietrzem, wodą i warstwą wodonośną, co sprzyja desorpcji zanieczyszczeń. Biowentylacja jest często mylona z napowietrzaniem. Biosparging stosuje się, gdy biodegradacja jest większa niż ulatnianie. .

Landfarming

Zasada polega na rozrzucaniu zanieczyszczonych gleb na cienkiej warstwie (30 cm) i dużych obszarach, co umożliwia interakcję między zanieczyszczoną matrycą a atmosferą. Celem jest promowanie napowietrzania, a tym samym degradacji tlenowej. Uprawa gleby umożliwia regularne napowietrzanie. Biodegradację można promować poprzez dodawanie suplementów diety. Zanieczyszczoną glebę należy rozłożyć na nieprzepuszczalnych podłożach (asfalcie, geomembranie lub rzadziej betonie), aby uniknąć zanieczyszczenia gleby i wód gruntowych.

Zasada kompostowania, BRGM, 2023

Kompostowanie

Kompostowanie polega na wymieszaniu wykopanej gleby z dodatkami organicznymi (kompostem) i ułożeniu ich w regularnie rozmieszczonych pryzmach trapezoidalnych (zwanych również pryzmami), aby wspomóc biodegradację. Materia organiczna może być pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego. Kompost działa poprzez biostymulację (dostarczanie składników odżywczych, węgla, azotu itp.), bioaugmentację (dostarczanie bakterii) i napowietrzanie (dostarczanie środków strukturalnych i elementów sztywnych zwiększających porowatość).

Podsumowanie

Źródło: SelecDEPOL

Techniki in situ	Zanieczyszczenia docelowe
Biowentylacja	Ciężki TPH (tetrahydropiran) Lekki TPH SCOV (Półlotne związki organiczne) LZO (Lotne związki organiczne) LZO (Lotne związki organiczne)
Biosparging	Ciężki TPH Lekki TPH SCOV SCOHV (Półlotne związki organiczne) LZO LZO
Techniki ex situ	Zanieczyszczenia docelowe
Biofile lub biofilary	Ciężki TPH Lekki TPH SCOV SCOHV Materiały wybuchowe i związki pirotechniczne LZO (lotne związki organiczne) WWA (wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne) Pestycydy/herbicydy PCB (polichlorowane bifenyle) COHV
Bioreaktory	Ciężki TPH Lekki TPH SCOV SCOHV Materiały wybuchowe i związki pirotechniczne LZO WWA Metale/metaloidy Pestycydy/herbicydy PCB COHV
Kompostowanie	Ciężki TPH Lekki TPH SCOV SCOHV Materiały wybuchowe i związki pirotechniczne LZO WWA Pestycydy/herbicydy PCB COHV
Uprawa ziemi	Ciężki TPH Lekki TPH SCOV Materiały wybuchowe i związki pirotechniczne LZO WWA Pestycydy/herbicydy

Praktyczne zastosowanie

• Sprzątanie plaży po wycieku ropy z Exxon Valdez: Na Alasce wyciek ropy zanieczyścił wybrzeże około 41 milionami litrów ropy naftowej. Naukowcy dodali składniki odżywcze, azot i fosfor (biostymulacja), aby pobudzić bakterie naturalnie występujące w środowisku i zdolne do rozkładu węglowodorów. Biodegradacja wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) była znacząca, ze spadkiem od 13% do 70% rocznie. .
• Mykoremediacja pestycydów w glebach rolniczych: Projekty w Belgii i innych krajach wykazały, że grzybnia grzybów, takich jak boczniaki, może rozkładać wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) i pestycydy, wykorzystując enzymy, takie jak lakkazy i peroksydazy. Procesy te przekształcają toksyczne cząsteczki w nieszkodliwe związki, zmniejszając zanieczyszczenie nawet o 90% w testach pilotażowych.

Korzyści i zagrożenia

Korzyści

• Rozwiązanie ekologiczne:
  • Wykorzystuje mikroorganizmy (bakterie, grzyby), rośliny lub ich enzymy do przekształcania lub rozkładu zanieczyszczeń do nietoksycznych związków, unikając w ten sposób stosowania agresywnych chemikaliów.
  • Minimalizuje wpływ na otaczający ekosystem w porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak spalanie czy składowanie odpadów.
• Stosunkowo niski koszt:
  • Techniki bioremediacji są często tańsze niż metody mechaniczne lub chemiczne, szczególnie na dużych obszarach lub w przypadku złożonych zanieczyszczeń organicznych (węglowodory, rozpuszczalniki).
• Poprawia zdrowie gleby:
  • Niektóre metody, takie jak dodawanie materii organicznej w celu stymulacji mikroorganizmów, mogą poprawić jakość gleby i jej zdolność do zatrzymywania wody i składników odżywczych. * Elastyczność i specyficzność:
  • Możliwość dostosowania do różnych rodzajów zanieczyszczeń: węglowodorów, metali ciężkich, pestycydów, rozpuszczalników itp. Ponadto techniki takie jak fitoremediacja lub mykoremediacja umożliwiają oczyszczanie określonych środowisk.
• Wyższa akceptowalność społeczna niż w przypadku metod termicznych i chemicznych.

Ograniczenia i ryzyko

• Długi czas:
  • Procesy biologiczne mogą być powolne i wymagać kilku miesięcy, a nawet lat, aby uzyskać znaczące rezultaty, co może być problematyczne w sytuacjach awaryjnych.
• Ograniczenia dotyczące zanieczyszczeń biodegradowalnych:
  • Niektóre zanieczyszczenia, takie jak metale ciężkie lub wysoce stabilne substancje chemiczne (trwałe pestycydy, PCB), nie ulegają degradacji, a jedynie immobilizacji lub częściowej transformacji. * Zależność od warunków środowiskowych:
  • Skuteczność bioremediacji w dużym stopniu zależy od warunków lokalnych: temperatury, pH, dostępności składników odżywczych i zawartości tlenu. Jeśli warunki nie są optymalne, proces może być nieskuteczny.
• Ryzyko bioakumulacji:
  • W fitoremediacji rośliny mogą akumulować metale ciężkie, co wymaga odpowiedniego postępowania z zanieczyszczonymi roślinami (spalanie lub bezpieczne składowanie).
• Ryzyko rozprzestrzeniania się mikroorganizmów:
  • Techniki bioaugmentacji, polegające na wprowadzaniu określonych mikroorganizmów, mogą prowadzić do zaburzeń równowagi ekologicznej lub nieoczekiwanych skutków dla lokalnej bioróżnorodności.
• Odporność na zanieczyszczenia:
  • Niektóre złożone lub mieszane zanieczyszczenia (np. ciężkie węglowodory połączone z metalami) mogą wymagać łączonych podejść, co zwiększa złożoność i koszty. Szablon:Załączniki do praktyki