Bioremediáció körülményei

Bioremediáció körülményei

Biodegradáció feltételei

• Legyen az organizmusnak a biodegradációhoz szükséges enzime(i).

De csupán az enzimkészlet megléte még nem jelenti azt, hogy a biodegradáció megtörténik

• az organizmusnak a vegyületet tartalmazó környezetben jelen kell lennie

• A szükséges enzimekkel rendelkező organzimus számára

hozzáférhető kell legyen a vegyület (pl. nem hozzáférhető, ha különböző mikrokörnyezetben vannak – vízben nem elegyedő oldószerben, vagy szilárd felszínhez kötötten, stb)

• Ha a támadást/átalakítást indító enzim extracelluláris, az enzimnek hozzá kell férnie a kötéshez, aminek átalakítását katalizálja

• Ha intracelluláris az enzim, akkor a molekulának át kell jutnia a sejt falán és a membránon

• A környezeti feltételeknek megfelelőnek kell lenni a mikroba szaporodásához, aktivitásához

Környezeti faktorok

• Számos fizikai, kémiai, biológiai tényező hatással van a mikrobák szaporodására, aktivitására, létezésére, ezáltal befolyásolják a

szervesanyagok mikrobiális lebontását

• Mielőtt nekifognánk a kármentesítésnek, szükséges

előkísérleteket végezni, melyet laboratóriumban lehet kivitelezni.

A labor tesztek alapján kiválasztott, laboratóriumi körülmények között nevelt tiszta kultúra kijuttatása az adott környezetbe

rengeteg akadály legyőzését igényli.

• Ismerni kell azokat a faktorokat, melyek befolyásolják a

biodegradáció menetét, és meg is kell értenünk azok hatását, hogy pozitív irányba tudjuk ezáltal elmozdítani a folyamatot.

Környezeti (abiotikus) faktorok

• Minden mikroorg törzsnek van egy tolerancia tartománya az ökológiailag fontos faktorokra (pl. hőm, pH, sókonc.), egyeseknek nagyobb másoknak kisebb. Egy adott környezet számos fajt tartalmaz, melyek egy bizonyos biotranszformációban részt vesznek, ezek tolerancia tartománya gyakran szélesebb, mint az egyedi fajoknak. A tartományon kívül eső

körülmények között mikrobiális aktivitás nem lesz tapasztalható

• A tápanyag igény mellett a legfontosabb faktorok, melyek hatással vannak a mikrobiális transzformációra a hőmérséklet, pH,

nedvességtartalom (talaj esetén), bizonyos esetekben sóktartalom, toxinok jelenléte, hidrosztatikus nyomás (mélytengeri üledék esetén, vagy a talaj mélyebb rétegeiben)

• Egy szerves szennyezőanyag egy adott környezetben gyorsan lebomlik, míg egy másik helyen perzisztensen jelen lehet

• Közeg:

talajszerkezet, -típus, porozitás, permeabilitás, nedvességtartalom, táp-,ásványianyag tart., oxidációs/redukciós potenciál

• Szennyezőanyag:

összetétel, oldékonyság, illékonyság, viszkozitás, toxicitás

• Hőmérséklet:

biológiai aktivitás hőmérsékletfüggő

• pH:

hozzáférhetőséget befolyásolja

• H

2

O:

szállítóközeg

- túl magas víztart. gátolja az oxigén talajba jutását - túl alacsony nedvességtartalom a mikrobák aktivitását, túlélését korlátozza

• Sótartalom

Környezeti faktorok

• Tápanyag

: a sejtek életfunkcióihoz szükséges szén, nitrogén, foszfor, ásványi anyagok (makro-, mikroelemek), vitaminok

Kometabolizmus esetén szerves tápanyagot (szénforrás) is biztosítani kell

• Oxigénellátottság

: a talaj mélyebb rétegeiben kevés az oxigén ha az aerob lebontó folyamatokat akarjuk stimulálni:

levegőbefúvatás, talajforgatás, szellőztetéssel,

vagy: H2O2 befecskendezés, nitrát, szulfát utánpótlás

Környezeti faktorok

Egyéb faktorok

• Időigény

Meghatározó faktorok:

- jelenlevő veszélyes vegyületek típusa és mennyisége - szennyezett terület mérete: kiterjedés, mélység

- talaj típusa, állapota

- tisztítási folyamat talaj felszínen vagy alatta zajlik

• Anyagi lehetőségek

hőmérséklet

• A talajfelszín vagy vízfelszín közeli szennyezések esetén megfigyelhető, hogy télen vagy északon az állandóan hideg éghajlaton a szerves szennyezőanyagok biodegradációja rendkívül lassú, vagy nem történik meg (vannak kivételek, egyes mikroorganizmusok hidegtűrők/kedvelők)

• Gyakran ingadozás figyelhető meg a biodegr-ban, ami a

hőmérséklet vált. következménye. Ez nem mindig egyértelmű, néha más faktorok befolyásolják ezt.

– Példa: egy folyóban a 2,4-D egy észterének lebontása a téli

hónapokban növekedést mutatott, amit a falevelek hullásával hoztak összefüggésbe. A vízbe hulló levelek felülete bőséges helyet biztosít a mikrobiális kolonizációnak, ez a megnövekedett biomassza

kompenzálja az hidegebb víz miatt kialakult rosszabb feltételeket

• Az adott hőmérséklet befolyásolja az elbontandó anyag hozzáférhetőségét

Környezeti faktorok a mikróbák szempontjából

1. Hőmérséklet

kémhatás

• Az extrém savasság/lúgosság az biodegr. aktivitást rontja, enyhe pH körülmények között a biodegr. maximális

sebességel működhet

• Ha egy vegyületet az adott körny-ben több mikroba is képes bontani, akkor a biodegradáció pH tartománya ált. szélesebb, mint akkor ha csak egy faj képes bontani azt.

• Adalékanyagokkal a pH eltolható az adott környezetben (pl.

mész adagolásával, ha savas karakterű a szennyezés)

• Az adott kémhatás befolyásolja az elbontandó anyag hozzáférhetőségét

2. kémhatás

Környezeti faktorok a mikróbák szempontjából

acidofilek pH=7,0 alkalifilek

Szaporodási mértéke

nedvességtartalom

• A metabolikusan aktív mikrobák szaporodásához,

aktivitásához megfelelő nedvesség tartalomra van szükség. Ez a faktor a vízi környezetben nyilvánvalóan nem limitáló

tényező

• Az optimum szint függ a talaj tulajdonságaitól, a bontandó vegyülettől, és az oxigénigénytől (aerob/anaerob)

• A túl sok víz kiszorítja a levegőt a talaj pórusaiból, így a víztelített talaj hamar anaerobbá válik, ami nem kedvez az aerob folyamatoknak

• Csökkent nedvességtartalom a degradáció mértékét rontja

Sótartalom

• A fiziológiás állapot feletti koncentrációban ártalmas a legtöbb sejt számára (kivétel tengeri organizmusok)

• A talaj- és belvizek bizonyos területeken igen sógazdagok, mely a mikrobiális folyamatokat gátolja

Hidrosztatikus nyomás

• Az olaj egyes komponensei, és más szennyezők,

melyeknek specifikus gravitációjuk nagyobb, mint a tengervízé, lesüllyednek a mély tengerfenéki zónába, ahol a hidrosztatikus nyomás nagy, sőt gyakran

alacsony a hőmérséklet, ami lassú degradációt, perzisztens jelenlétet eredményez

• Vannak mikroorganizmusok, melyek a tengerek mélyén élnek, és csak megfelelő nyomás mellett

3. Sókoncentráció

Forrás: A. Scragg - Environmental

Biotechnology (2005)

Környezeti faktorok a mikróbák

szempontjából

• Számos vegyület esetén a preferált elektronakceptor az O₂, ekkor a folyamatok csak aerob körülmények között mennek gyorsan végbe. Aerob szénhidrogén bontás esetén az oxigén gyorsan elfogy, mert az oxigén diffúzió gátolt, ekkor pótolni kell esetleg H₂O₂ is adható

• Azonban sok komponens lebontása nem függ az oxigéntől,

anaerob konverzió esetén. Ez csak oxigénmentes környezetben zajlik, ekkor az elektronakceptor lehet egy szerves molekula, vagy nitrát, szulfát, CO2, Fe(III). Ha elfogy a körny-ből a

biokonverzió leáll.

Elektronakceptor

4. Oxigén

Környezeti faktorok a mikróbák szempontjából

Forrás: A. Scragg - Environmental Biotechnology (2005)

• Számos környezeti faktor módosítása lehetetlen/ nem gazdaságos, de azért foglalkozunk velük, mert hatásuk a

folyamatokra, annak megértése más vegyületek lebontásának megtervezésében nagy szerepet játszik

• Amennyiben bizonyos faktorok létfontosságúak a

biodegradáció szempontjából, de az adott környezetben nem módosíthatóak, ekkor szükséges a bioreaktorok alkalmazása, melyben a biológiai aktivitás szigorú kontroll mellett zajlik

Környezeti faktorok

Mikrobiológiai szempontok

• A jelenlévő természetes mikroba populáció

• Konzorciumok esetén az összeférhetőséget vizsgálni kell egymással és az alkalmazás helyével

• Biofilm képződés: lehet jó, lehet hátrányos

• A bioremediációban szerepet játszó mikroorganizmusok élettani, biokémiai tulajdonságai

• A mikrobiális aktivitás valós hatásfoka (ami laborban jó, működik-e az eredeti körny-ben)

• A laboratóriumi kísérletek az adott területen felhasználhatóak-e

• A keletkező metabolitok hatása a mikrobákra, az enzimekre

• Környezeti faktorok

• A szennyezés összetettsége

• A szennyezés kora – talajmátrixhoz kötött anyagok nehezen hozzáférhetők

• A bioremed-ban résztvevő komponensek mobilitása

(szennyezőanyagok, a keletk metabolitok, és a szükséges tápanyagok)

• Oxigén hiányában alkalmazhatók-e alternatív

elektronakceptorok (nitrát, szulfát, karbonát, klorid, Fe(III)…)

Mikrobiológiai szempontok

• A heterotróf szervezeteknek a szervesanyagok (ami szén- és

energiaforrás) mellett egyéb tápanyagokra és elektronakceptorra van szükségük

• Az elektronakceptor az O₂ az aerobok esetén, de lehet nitrát,

szulfát, CO₂, Fe(III), sőt bizonyos mikrobák szervesanyagokat is használhatnak az energiaforrás oxidációja során felszabaduló

elektronok fogadására

• Sok baktérium, gomba igényel alacsony konc-ban un. növekedési faktorokat pl. aminosavakat, B vitaminokat, zsíroldékony

vitaminokat, egyéb szerves molekulákat

• Ezek hiánya miatt a mikrobák nem szaporodnak, így a hatékony bioremediáció is elmarad

Mikrobiológiai szempontok

tápanyagigény

• A metabolizálható, hozzáférhető szervesanyagok mennyisége a körny-ben ált kevés, ezért legtöbb esetben a C forrás az

anyagcsere, mikroba szaporodás, bioremediáció limitáló tényezője

• Előfordulhat, hogy a C forrás hasznosítható, és megfelelő

mennyiségben jelen van, ekkor az egyéb tápanyagok lesznek limitálóak. Ilyen esetekben kell ezeket pótolni (biostimuláció)

• A K, S, Mg, Ca, Fe, mikroelemek legtöbbször megfelelő mennyiségben vannak jelen a körny-ben

• Olajszennyezések esetén a hidrofób-hidrofil határfelületen kevés az O2 és a szervetlen tápanyag. Ha vízoldékony tápanyagot juttatunk a vizes közegbe (pl tenger), az gyorsan szétdiffundál. Ezért

célszerűen oleofil készítményeket fejlesztettek (a P-t oktil-foszfát, decil-foszfát, a N-t paraffinizált urea és dodecil-urea formában).

Ezek előnye, hogy a rendszerbe kerülve az olajos fázishoz

Mikrobiológiai szempontok

limitáló tényezők

• Ha elfogy a N és P tápanyag, ennek ellenére lassú biodegradációt megfigyelhetünk, oka valósz, az elpusztult mikrobákból

felszabaduló utánpótlás

• Fontos a C:N:P (100:5-10:1-2) arány a sejtek megfelelő

működéséhez, ezt az arányt kell beállítani a tápanyag pótlás esetén, hogy teljes degradációt érjünk el.

• Előfordulhat, hogy egyéb (abiotikus) tényezők miatt magasabb konc. tűnik optimálisnak a biodegr-hoz, ekkor valósz, hogy

kationok hatására kicsapódik a foszfát (nem lesz hozzáférhető), melyet a pH is befolyásol

• A növekedési faktorok kevesebb figyelmet kaptak eddig (ennek lehet részben az oka, hogy ezek alkalmazása drágítja a technol-t).

Konzorciumok esetén nem mindig nyilvánvaló a hiányuk.

Jelentőségük lehet pl. abban is, hogy a szénforrás küszöb konc-ját módosítja (a küszöb konc alatt nem indul el a biodegr)

Mikrobiológiai szempontok

limitáló tényezők

• A természetben, különösen a szennyezett területeken rengeteg szervesanyagot találunk, melyeket egy vagy több benszülött mikroorganizmus hasznosít. Ezek a komponensek sok esetben szintetikus vegyületek, összetett anyagok, melyek a talaj

huminanyagaihoz kapcsolódhatnak.

• Koncentrációjuk lehet magas vagy alacsony, szintjük elérheti a toxikus konc-t, vagy olyan kevés, hogy nem elegendő a

szaporodáshoz.

• Várhatóan a jelenlévő, esetleg összedolgozó mikrobák és

komponensek esetén más biodegradációs folyamatot figyelhetünk meg, mint egyedi fajjal egyedi komponens esetén. Amikor több mikroba faj együttesen „dolgozik”, akkor az egyes fajok

aktivitását befolyásolja a másik által termelt metabolit, vagy egyéb

Mikrobiológiai szempontok

limitáló tényezők

• Gyakran megfigyelhető, hogy egy komponens

biodegradációját egy másik komponens pozitívan v negatívan befolyásolja

• A negatív hatásoknak több oka lehet:

– Toxikus a második komponens

– A keletkező termék gátolja a másik szubsztrát metabolizmusát – Nem is a szubsztrátok gátolnak, hanem tápanyag (P, N) vagy

elektronakceptor limitáció lép fel a párhuzamos folyamatok miatt

– Nem a szubsztrát gátol, hanem hirtelen megnő a mikroorg

szám, amit észrevesznek a predátorok (pl.protozoák), gyorsan lecsökkentik a mikroba számot

Mikrobiológiai szempontok

limitáló tényezők

• A környezetben a baktériumok és gombák mellett predátorok, paraziták is megtalálhatók. Ezek gyakran felfalják a baktériumokat (vagy

élősködnek azokon), ezáltal vetik vissza a biodegradáció hatékonyságát

• A protozoák viszont csak akkor aktivizálódnak, ha a baktérium szám eléri a 10⁶-10⁷ sejt/ml sejtsűrűséget, ekkor támadnak, és a sejtszám lecsökken 10³-10⁴ sejt/ml-re. A biodegradáció

szempontjából az a baj, hogy nem szelektíven egy-egy fajra nézve érzékelik a predátorok a sejtszámot.

• Mindemellett ugyanazokat a tápanyagokat igényli, így ebben is hatással van a baktérium populációra

• Ám az anyagcsere során kibocsát tápanyagokat a predátor is,

melyet a túlélő baktériumok hasznosítani tudnak, így amíg el nem érik a kritikus koncetrációt ismét jól érezhetik magukat, aktív

Mikrobiológiai szempontok limitáló tényezők

Forrás: National Science &

Technology Center. Denver, Colorado

• A biodegradációhoz gyakran több faj együttműködése szükséges. A biodegradáció több lépcsős folyamat, és a

természetben gyakran találkozunk konzorciumokkal, melyek tagjai a folyamat egy-egy lépésében vesznek csak részt, de együttműködésük hiányában nem vagy csak nagyon lassan menne végbe a lebontás. Ez az együttműködés szinergizmus.

• Szinergisztikus összefüggések

– Egy v több faj más faj(ok) számára fontos növekedési faktorokat (pl. B vitaminok, aminosavak) termel

– Egyik faj részlegesen bontja (szén- és energiaforrásként hasznosítja) az adott szervesanyagot, a keletkező intermedier(eke)t más fajok bontják tovább (egyébként felhalm)

– Egyik faj kometabolizmus során átalakítja az adott szervesanyagot, a keletkező intermediert más faj(ok) bontják tovább (egyébként felhalm)

Mikrobiológiai szempontok

limitáló tényezők

• A rhizoszférában a biodegradáció legtöbb esetben gyorsabb, mint a gyökérzónától távolabb eső régióban

• A növények folyamatosan kibocsájtanak szervesanyagokat, melyek a rhizoszférában élő mikroorganizmusok számára hasznos tápanyagforrás

Mikrobiológiai szempontok

limitáló tényezők

Összegzés

• Mivel gyakran a mikroorganizmusok a fő- vagy egyetlen okai egy anyag degradációjának, így hiányuk vagy „működésképtelenségük” az adott környezetben ezen anyag perzisztenciáját vagy nagyon lassú eltűnését jelenti

• A mikrobák hatékony működéséhez számos paraméternek megfelelőnek kell lennie

(környezeti paraméterek, hozzáférhetőség)