Кіріспе
Биоремедиация – кең мағынада, қоршаған ортадағы ластаушы заттарды (ауа, су, топырақ, түтін газдары, өнеркәсіптік ағынды сулар және т.б.) жою үшін тірі немесе өлі биологиялық жүйелерді (әдетте бактериялар, микротоқырамалар, микоремедиациядағы саңырауқұлақтар және фиторемедиациядағы өсімдіктер) пайдаланатын кез келген процесті білдіреді. Организмдердің кең таралған және жаңадан пайда болатын ластаушы заттарды сіңіру, жинақтау және ыдырату қабілеті ластанған ортаны тазарту үшін биологиялық ресурстарды қолдануға ынталандырды. Органикалық ластаушы заттар биологиялық ыдырауға бейім болса, ал ауыр металдар ыдырамайды, керісінше, тотықтырылады немесе тотығуын төмендетіледі. Типик биоремедиация тотығу процесін қамтиды. Тотығу органикалық қосылыстардың суда ерігіштігін арттырады және оларды одан әрі тотығу және гидролиз арқылы ыдыратуға қолайлы жағдай жасайды. Соңында, биологиялық ыдырау көмірсутектерді көмірқышқыл газы мен суға айналдырады. Биоремедиацияның басты қиындығы – процестің жылдамдығы: олар өте баяу өтеді. Екі тәсілде де микроорганизмдердің өсуі мен метаболизмін жақсарту үшін қосымша қоректік заттар, витаминдер, минералдар және pH буферлері қосылады. Кейбір жағдайларда, арнайы микробиологиялық мәдениеттер қосылады (биостимуляция). Биоремедиациямен байланысты технологиялардың мысалдары: фиторемедиация, биовентиляция, биоаттенуация, биоспаргинг, компостинг (биоқабаттар және үймелер) және жерді өңдеу. Басқа да әдістерге жылулық десорбция, витрификация, ауадан тазарту, биолиакинг, ризофильтрация және топырақ жуу жатады. Биологиялық өңдеу, биоремедиация – сарқынды сулар, өнеркәсіптік және қатты қалдықтарды өңдеуге қолданылатын ұқсас тәсіл. Биоремедиацияның негізгі мақсаты – зиянды қосылыстарды жойып, топырақ пен судың сапасын жақсарту.
Bioremediation broadly refers to any process wherein a biological system (typically bacteria, microalgae, fungi in mycoremediation, and plants in phytoremediation), living or dead, is employed for removing environmental pollutants from air, water, soil, flue gasses, industrial effluents etc., in natural or artificial settings. The natural ability of organisms to adsorb, accumulate, and degrade common and emerging pollutants has attracted the use of biological resources in treatment of contaminated environment. While organic pollutants are susceptible to biodegradation, heavy metals cannot be degraded, but rather oxidized or reduced. Typical bioremediations involves oxidations. Oxidations enhance the water solubility of organic compounds and their susceptibility to further degradation by further oxidation and hydrolysis. Ultimately biodegradation converts hydrocarbons to carbon dioxide and water. The main challenge to bioremediations is rate: the processes are slow. In both these approaches, additional nutrients, vitamins, minerals, and pH buffers are added to enhance the growth and metabolism of the microorganisms. In some cases, specialized microbial cultures are added (biostimulation). Some examples of bioremediation related technologies are phytoremediation, bioventing, bioattenuation, biosparging, composting (biopiles and windrows), and landfarming. Other remediation techniques include thermal desorption, vitrification, air stripping, bioleaching, rhizofiltration, and soil washing. Biological treatment, bioremediation, is a similar approach used to treat wastes including wastewater, industrial waste and solid waste. The end goal of bioremediation is to remove harmful compounds to improve soil and water quality.
In situ әдістері
[[Файл:In Situ биоремедиациясы. Биоремедиацияны көрсететін визуалды бейне. Бұл процесте улы заттарды жою үшін ластанған топыраққа оттегі, қоректік заттар немесе микроорганизмдер қосылады. Оттегі қосылғанда көмірқышқыл газы мен су түзіледі. Биовентиляция – аэробты биоремедиация, тотығу биоремедиация процесінің ең көп таралған түрі, онда мұнайды, полиароматты көмірсутектерді (ПАҚ), фенолды және басқа да тотығуға ұшыраған ластаушы заттарды тотықтыру үшін оттегі электронды қабылдағыш ретінде қолданылады. Оттегі әдетте жоғары энергия шығыны және кейбір фермент жүйелері ыдырау процесін бастау үшін оттегі қажет болғандықтан, электронды қабылдағыш ретінде таңдалады. Микроорганизмдер бензин, керосин, дизель және авиациялық отын компоненттері сияқты әртүрлі көмірсутектерді ыдырата алады. Идеалды аэробты жағдайларда, төмен және орташа молекулалық салмақты алифалық, алициклді және ароматты қосылыстардың биологиялық ыдырау жылдамдығы өте жоғары болуы мүмкін. Қосылыстың молекулалық салмағы артқан сайын, биологиялық ыдырауға төзімділігі де бірдей артады. Бұл екі тәсілде де микроорганизмдер үшін жағдайды оңтайландыру үшін қосымша қоректік заттар, витаминдер, минералдар және pH буферлері қосылуы мүмкін. Кейбір жағдайларда, биологиялық ыдырауды одан әрі күшейту үшін арнайы микробиологиялық мәдениеттер қосылады (биоаугментация). Судың астындағы оттегі қосу әдістеріне: тазарту аймағы арқылы ауасы бар суды айналдыру, таза оттегі немесе пероксидтер қосу және ауамен тазарту кіреді. Осы жерде микроорганизмдер канцерогенді трихлорэтиленді (ТХЭ) ыдыратады, бұл процесс бұрынғы зерттеулерде де байқалған. Бактерияларды көмірсутектерді ыдырату үшін қолдануға болады. Теңіздегі мұнай төгілуіне қатысты азот пен фосфор биологиялық ыдыраудың маңызды қоректік заттары болып табылады. Көмірсутектерді биоремедиациялаудың жылдамдығы төмен болуы мүмкін. Биоремедиация микробиологиялық консорциумның әрекеттерін қамтуы мүмкін. Консорциум ішінде бір түрдің өнімі екінші түр үшін субстрат бола алады. Анаэробты биоремедиация принципі бойынша хлорланған этилендерді (PCE, TCE, DCE, VC), хлорланған этанды (TCA, DCA), хлорлы метанды (CT, CF), хлорланған циклдік көмірсутектерді, әртүрлі энергетикалық заттарды (мысалы, перхлорат, RDX, TNT) және нитратты қоса алғанда, көптеген тотығушы заттарды өңдеу үшін қолданылуы мүмкін. Тамақ майынан немесе қатты субстраттан жасалған баяу босатылатын өнімдер ұзақ уақыт бойы сақталады. Ерігіш субстраттар немесе баяу босатылатын субстраттардың ерігіш ферментациялық өнімдері адвекция және диффузия арқылы көшіп, кеңірек, бірақ қысқа мерзімді өңдеу аймақтарын қамтамасыз ете алады. Қосылған органикалық субстраттар алдымен сутегіге (H2) және ұшпалы май қышқылдарына (VFA) айналады. Ацетат, лактат, пропионат және бутират сияқты VFA бактериялық метаболизмге көміртек пен энергия береді. Биоаттенуацияға адамның араласуы болмаса да, ластанған жерді бақылау қажет. ЮНИСЕФ, электр энергиясын өндірушілер, сумен жабдықтаушылар және жергілікті билік органдары, суға тасталатын аэробикалық бактериялар таблеткалары сияқты арзан биоремедиация әдістерін ерте қабылдады.
Биопильдер
Биокалыңдар, биовентиляцияға ұқсас, ластанған топыраққа аэробты көмірсутектерді енгізу арқылы мұнай ластағыштарын жою үшін қолданылады. Дегенмен, топырақ қазылып, ауа өткізгіш жүйемен үйіледі. Бұл ауа өткізгіш жүйе оң қысыммен оттегі беру арқылы немесе теріс қысыммен оттегіні сызып алу арқылы микробтық белсенділікті күшейтеді.
Желтіреуіш
[[Файл:Shell Haven East Site географиясы. org. Стенфорд-ле-Хоуп қаласындағы бұрынғы Shell Haven мұнай өңдеу зауыты, мұнаймен ластанған аумақты азайту мақсатында биоремедиациядан өтті. Ауа тасымалын жақсарту үшін желді қатарлар сияқты биоремедиация техникалары қолданылды. Мұнай өңдеу зауыты шамамен 115 000 м³ ластанған топырақ қазып шығарды. Бұл мерзімдік араластыру топырақтағы ластағыш заттардың тегіс таралуын қамтамасыз етеді, бұл биоремедиация процесін үдетеді.
Ауыл шаруашылығы
Жерді өңдеу, немесе жерге тарату – шлам төгілген кезде жиі қолданылатын әдіс. Бұл әдіс ластанған топырақты таратып, циклдық түрде араластыру арқылы топырақты ауамен қанықтырады. Бұл процесс жер үстіне қолданылатын әдіс болып табылады, сондықтан микробиологиялық белсенділікті күшейту үшін ластанған топырақ қабаты беткі болуы тиіс. Дегенмен, егер ластану 5 футтан терең болса, топырақ қазылып, жер бетіне шығарылуы керек. Бұл экс-ситу (жерден тыс) техника болғанымен, оны ин-ситу (жерде) техникасы деп санауға болады, себебі жерді өңдеу ластану орнында жүргізілуі мүмкін.
In situ және Ex situ
Ex situ әдістері көбінесе қазу және тазарту орнына тасымалдау шығындарына байланысты қымбатқа түседі, ал in situ әдістері ластану орындарында орындалады, сондықтан оларға тек орнату шығындары ғана қажет. Шығын аз болғанымен, ластағыш заттың таралу аумағы мен мөлшерін анықтау мүмкіндігі де шектеулі. Ластағыш заттың түрі қолданылатын биоремедиация әдісін анықтайды. Ластағыш заттың тереңдігі мен таралуы да маңызды факторлар болып табылады.
Ауыр металдар
Ауыр металдар қоршаған ортаға адам қызметінің және табиғи факторлардың әсерінен түседі. Осы факторлардан түскен ауыр металдар көбінесе су ағып кету арқылы су көздерінде кездеседі, онда олар теңіз флорасы мен фаунасымен сіңіріледі. Микроорганизмдер алты валентті хромды, Cr(VI) үш валентті Cr(III) дейін тотығу арқылы хромның уыттылығын және жылжу белсенділігін төмендетуге қолданылады. Жылмалы U(VI) түрлерін тотығу арқылы жылмастығы төмен U(IV) туындыларын алуға болады. Бұл процесте микроорганизмдер қолданылады, себебі микробиологиялық өзара әрекеттесулердің болмауы жағдайында осы металдардың тотығу жылдамдығы көбінесе баяу болады. Судан металдарды алу үшін, металлдың жасуша қабырғаларына сіңуін күшейту мақсатында зерттеулер жүргізілуде, бұл хром мен қорғасынға қатысты. Арсеникті бөліп алу үшін генетикалық түрлендірілген бактериялар да зерттелді. Фитоэкстракция процесі ластағыш заттарды биомассада шоғырландырады, содан кейін оларды жоюға болады. Металлдарды өндіру принципі бойынша in situ немесе ex situ жағдайында жүзеге асыруға болады, бірақ субстратты қазудың қымбаттығына байланысты in situ әдісі артықшылықты. Биоремедиация тек металдарға ғана емес, басқа да ластағыштарға қатысты. 2010 жылы Мексика шығанағында ірі мұнай төгілуі болды. Мұнай төгілгеннен кейін жағалауды қалпына келтіру үшін бактериялар мен археялардың популяциялары пайдаланылды. Бұл микроорганизмдер уақыт өте келе мұнай және мұнай өнімдері сияқты көмірсутектерді көміртегі мен энергияның көзі ретінде пайдалана алатын метаболизм желілерін дамытты. Микробиологиялық биоремедиация – қоршаған ортадан зиянды заттарды жою арқылы табиғи жүйелерді қалпына келтірудің өте тиімді, заманауи әдісі.
Пестицидтер
Пестицидтермен ластанумен күресудің көптеген жолдарының ішінде, биологиялық өңдеу (биоремедиация) ең тиімді болуы мүмкін. Әлемнің көптеген аймақтары агрохимиялық заттармен ластанған. Бұл агрохимиялық заттар көбінесе, қасақстандық түрде, биологиялық ыдырауға төтеп береді. Олар барлық тірі организмдерге зиян келтіріп, қатерлі ісік, бөртпелер, соқырлық, паралич және психикалық аурулар сияқты ұзақ мерзімді денсаулық проблемаларын тудырады. Актинобактериялар пестицидтерді жоюға арналған перспективті in situ (жерінде) техника болып табылады. Актинобактериялардың белгілі бір штамдары біріктірілгенде, олардың пестицидтерді ыдырату қабілеті артады. Бұл техника қайта пайдалануға болады және жасушалардың қозғалу аймағын шектеу арқылы белгілі бір аймақтарға бағытталғандықтан, қолдану арқылы одан да күшейеді, сонымен қатар олардың тазалау мүмкіндіктерін толықтай жоймайды. Нәтижелер көңіл көтеріп тұрғанына қарамастан, актинобактериялар әзірге тек бақыланатын зертхана жағдайында қолданылған, сондықтан оның экономикалық тиімділігі мен кеңейту мүмкіндігін анықтау үшін одан әрі дамыту қажет.
Биологиялық оңалтудың шектеулері
Биомедиация органикалық ластаушыларды минералдауға, ластаушыларды ішінара түрлендіруге немесе олардың қозғалмалылығын өзгертуге қолданылуы мүмкін. Ауыр металдар мен радионуклидтер әдетте биодеградацияланбайды, бірақ био трансформация арқылы аз қозғалмалы формаларға айналуы мүмкін. Кейбір жағдайларда микроорганизмдер ластаушы затты толық минералдамайды, нәтижесінде одан да улы қосылыс пайда болуы мүмкін. Биомедиацияның молекулалық механизмдері зор қызығушылық тудырады. Биодеградация үшін ластаушы затты ыдырата алатын микроорганизмдер популяциясы қажет. Экожүйеге жат түрдің енуі мен таралуын болдырмау үшін, жергілікті түр қажет. Сондай-ақ, бүкіл учаскені тазарта алатын жеткілікті мөлшерде түр болуы керек, сонымен қатар популяцияны сарқып кетпеуі үшін де. Ақырында, түр қоршаған орта жағдайларына төтеп бере алатындай берік болуы керек. Осы нақты критерийлер ластанған учаскеде биомедиация жүргізуді қиындатуы мүмкін. Ауыл шаруашылығында пестицидтерді қолдану топырақтың тікелей ластануына және ағын судың ластануына басты себепкер болады. Пестицидтердің био қолжетімділігінің төмен болуы оларды шектеу немесе қалпына келтірудің бірден-бір факторы болып табылады. Ластанған топырақтың pH және температурасын өзгерту био қолжетімділікті арттыруға көмектеседі, бұл зиянды қосылыстардың ыдырауын күшейтеді. Зиянды ластаушы заттармен тәжірибе шектеулі болғандықтан, тиімділігін бағалау, емдеу жобаларын жасау және емдеу мерзімін анықтау үшін зертханалық зерттеулер қажет.
Another major drawback is finding the right species to perform bioremediation. In order to prevent the introduction and spreading of an invasive species to the ecosystem, an indigenous species is needed. As well as a species plentiful enough to clean the whole site without exhausting the population. Finally the species should be resilient enough to withstand the environmental conditions. These specific criteria may make it difficult to perform bioremediation on a contaminated site. In agricultural industries, the use of pesticides is a top factor in direct soil contamination and runoff water contamination. The limitation or remediation of pesticides is the low bioavailability. Altering the pH and temperature of the contaminated soil is a resolution to increase bioavailability which, in turn, increased degradation of harmful compounds. Since the experience with harmful contaminants are limited, laboratory practices are required to evaluate effectiveness, treatment designs, and estimate treatment times.
Генетикалық инженерия
Биоремедиация үшін арнайы жасалған организмдерді құруда генетикалық инженерияны қолдану алдын ала зерттеулерде. Организмге гендердің екі түрін енгізуге болады: ластағыштарды ыдыратуға қажетті белоктарды кодтайтын деградациялық гендер және ластану деңгейін бақылайтын белоктарды кодтайтын репортерлік гендер. Pseudomonas тұқымдасының көптеген өкілдері полиароматты көмірсутек нафталинді анықтау үшін lux генімен модификацияланды. Модификацияланған организмді шығару бойынша далалық сынақ орташа көлемде сәтті өтті. Генетикалық модификацияланған организмдерді қоршаған ортаға шығару және оларды қоршаған ортада ұстап тұру туралы алаңдаушылықтар бар, себебі көлденең гендік алмасу мүмкіндігі бар. Генетикалық модификацияланған организмдер Америка Құрама Штаттарының Қоршаған ортаны қорғау агенттігінің 1976 жылғы «Токсикалық заттарды бақылау туралы» заңына сәйкес жіктеледі және бақыланады. Осы алаңдаушылықтарды жою үшін шаралар қабылданды. Организмдер белгілі бір экологиялық жағдайларда ғана тірі қалу және өсу үшін модификациялануы мүмкін. Мұнай төгілуін жою және кейбір пластиктерді (ПЭТ) ыдырату үшін генетикалық модификацияланған организмдер жасалды.
Қосымша өңдеу
Биопечать сияқты аддитивті өндіріс технологиялары биологиялық жүйелерге және қоршаған ортаны тазалау қажеттіліктеріне бейімделген қасиеттері бар құрылымдарды жасау үшін биоремедиацияда пайдалануға болатын ерекше мүмкіндіктер ұсынады. Бұл технологияның биоремедиацияда қолданылуы әлі бастапқы кезеңде болғанымен, бұл сала қарқынды өсуді көрсетуде.