Введение
Процесс, используемый для очистки загрязненных сред, таких как вода и почва.
Биоремедиация в широком смысле относится к любому процессу, в котором биологическая система (обычно бактерии, микроводоросли, грибы в микоремедиации и растения в фиторемедиации), живая или мертвая, используется для удаления загрязняющих веществ из воздуха, воды, почвы, дымовых газов, промышленных сточных вод и т.д. в естественных или искусственных условиях. Естественная способность организмов адсорбировать, накапливать и разлагать распространенные и новые загрязнители обусловила использование биологических ресурсов для очистки загрязненной среды. Органические загрязнители подвержены биологическому разложению, в то время как тяжелые металлы не разлагаются, а лишь окисляются или восстанавливаются. Типичные процессы биоремедиации включают окисление. Окисление повышает растворимость органических соединений в воде и их подверженность дальнейшей деградации посредством дальнейшего окисления и гидролиза. В конечном итоге, биоразложение превращает углеводороды в углекислый газ и воду. Основная проблема биоремедиации – скорость: процессы протекают медленно. В обоих подходах для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов добавляют дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы pH. В некоторых случаях добавляют специализированные микробные культуры (биостимуляция). Примеры технологий, связанных с биоремедиацией, включают фиторемедиацию, биовентиляцию, биоаттенуацию, биоспаргинг, компостирование (биопилы и траншеи) и землеустройство. Другие методы рекультивации включают термическую десорбцию, витрификацию, отдувку воздуха, биовыщелачивание, ризофильтрацию и промывку почвы. Биологическая очистка, биоремедиация, – это аналогичный подход, используемый для обработки отходов, включая сточные воды, промышленные отходы и твердые отходы. Конечная цель биоремедиации – удаление вредных веществ для улучшения качества почвы и воды.
Методы in situ
[[Файл:In Situ Bioremediation.png|thumb|Визуальное представление процесса биоремедиации на месте. Этот процесс включает добавление кислорода, питательных веществ или микробов в загрязненную почву для удаления токсичных загрязнителей. Добавление кислорода удаляет загрязняющие вещества, образуя углекислый газ и воду. Биовентиляция, являющаяся аэробной биоремедиацией, представляет собой наиболее распространенную форму процесса окислительной биоремедиации, при котором кислород используется в качестве акцептора электронов для окисления нефти, полиароматических углеводородов (ПАУ), фенолов и других восстановленных загрязнителей. Кислород обычно является предпочтительным акцептором электронов из-за более высокой энергетической эффективности и потому, что он необходим некоторым ферментным системам для запуска процесса разложения. Микроорганизмы способны разлагать широкий спектр углеводородов, включая компоненты бензина, керосина, дизельного топлива и авиационного топлива. В идеальных аэробных условиях скорость биоразложения низкомолекулярных и умеренно молекулярных алифатических, алициклических и ароматических соединений может быть очень высокой. С увеличением молекулярной массы соединения одновременно возрастает его устойчивость к биоразложению. В обоих подходах могут быть добавлены дополнительные питательные вещества, витамины, минералы и буферы pH для оптимизации условий для микроорганизмов. В некоторых случаях добавляют специализированные микробные культуры (биоаугментация) для дальнейшего усиления биоразложения. Методы добавления кислорода ниже уровня грунтовых вод включают рециркуляцию аэрированной воды через зону обработки, добавление чистого кислорода или пероксидов, а также воздушную продувку. На данном участке микроорганизмы разлагают канцерогенное соединение трихлорэтилен (ТХЭ), что наблюдалось и в предыдущих исследованиях. Бактерии в принципе могут использоваться для разложения углеводородов. В случае морских разливов нефти азот и фосфор являются ключевыми питательными веществами для биоразложения. Биоремедиация углеводородов часто характеризуется низкими скоростями. Биоремедиация может включать в себя деятельность микробного консорциума, в котором продукт жизнедеятельности одного вида может служить субстратом для другого. Анаэробная биоремедиация может быть использована для обработки широкого спектра окисленных загрязнителей, включая хлорированные этилены (PCE, TCE, DCE, VC), хлорированные этаны (TCA, DCA), хлорометаны (CT, CF), хлорированные циклические углеводороды, различные взрывчатые вещества (например, перхлорат, RDX, TNT) и нитраты. Продукты медленного высвобождения, состоящие из растительных масел или твердых субстратов, как правило, остаются на месте в течение продолжительного периода обработки. Растворимые субстраты или растворимые продукты ферментации субстратов медленного высвобождения могут мигрировать посредством адвекции и диффузии, создавая более широкие, но менее продолжительные зоны обработки. Добавленные органические субстраты сначала ферментируются до образования водорода (H2) и летучих жирных кислот (ЛЖК). ЛЖК, включая ацетат, лактат, пропионат и бутират, обеспечивают углерод и энергию для бактериального метаболизма. Хотя биоаттенуация не предполагает антропогенного вмешательства, загрязненный участок все равно необходимо контролировать. ЮНИСЕФ, производители электроэнергии, крупные поставщики воды и местные органы власти являются первыми пользователями недорогих методов биоремедиации, таких как таблетки с аэробными бактериями, которые просто добавляют в воду.
Биопили
Биокучи, аналогично биовентиляции, используются для удаления нефтяных загрязнений путем подачи аэробных углеводородов в загрязненные почвы. Однако почва извлекается и формируется в кучу с системой аэрации. Эта система аэрации стимулирует микробную активность за счет подачи кислорода под избыточным давлением или удаления кислорода под вакуумом.
Ветровые
[[Файл:География восточного участка Шелл-Хейвен. - Что? Бывший нефтеперерабатывающий завод Shell Haven в Стэнфорд-ле-Хоуп, который подвергся биоремедиации для минимизации территории, загрязненной нефтью. Для улучшения переноса кислорода использовались методы биоремедиации, такие как формирование валов. С нефтеперерабатывающего завода было выкопано около 115 000 м³ загрязненной почвы. Периодическое перемешивание также обеспечивает равномерное распределение загрязняющих веществ в почве, что ускоряет процесс биоремедиации.
Сельское хозяйство
Обработка земель, или наземная рекультивация, – это метод, часто используемый при разливах осадка. Этот метод предполагает рассеивание загрязненной почвы и аэрацию путем циклического перемешивания. Это поверхностное применение, и для стимуляции микробной активности требуется, чтобы загрязненные почвы были неглубокими. Однако, если загрязнение находится глубже 1,5 метров, почву необходимо выкопать и переместить на поверхность. Хотя это внеплощадочный метод, его также можно рассматривать как внутриплощадочный, поскольку наземную рекультивацию можно проводить непосредственно на месте загрязнения.
In situ или ex situ
Техники ex situ часто обходятся дороже из-за расходов на выемку грунта и транспортировку к месту проведения очистки, в то время как методы in situ применяются непосредственно на загрязненном участке, что предполагает только затраты на установку оборудования. Хотя эти методы менее затратны, они обеспечивают меньшую возможность определения масштаба и распространения загрязняющего вещества. Выбор метода биоремедиации в конечном итоге определяется самим загрязнителем. Важными факторами также являются глубина и площадь распространения загрязнения.
Тяжелые металлы
Тяжелые металлы попадают в окружающую среду как в результате антропогенной деятельности, так и под воздействием природных факторов. Тяжелые металлы, поступающие из этих факторов, преимущественно присутствуют в источниках воды из-за стока, где они поглощаются морской фауной и флорой. Микроорганизмы могут использоваться для снижения токсичности и подвижности хрома путем восстановления шестивалентного хрома Cr(VI) до трехвалентного Cr(III). Восстановление более подвижного вида U(VI) приводит к образованию менее подвижных производных U(IV). Микроорганизмы используются в этом процессе, поскольку скорость восстановления этих металлов часто замедлена в отсутствие микробных взаимодействий. Также ведутся исследования по разработке методов удаления металлов из воды путем повышения сорбции металла к клеточным стенкам, например, хрома и свинца. Генетически модифицированные бактерии также изучались для использования в секвестрации мышьяка. Процессы фитоэкстракции концентрируют загрязняющие вещества в биомассе для последующего удаления. Извлечение металлов может осуществляться in situ или ex situ, при этом in situ предпочтительнее, поскольку это дешевле, чем выемка субстрата. Биоремедиация не специфична к металлам. В 2010 году в Мексиканском заливе произошел масштабный разлив нефти. Популяции бактерий и архей были использованы для восстановления побережья после разлива нефти. Эти микроорганизмы со временем развили метаболические сети, способные использовать углеводороды, такие как нефть и нефтепродукты, в качестве источника углерода и энергии. Микробная биоремедиация – это очень эффективная современная технология восстановления природных систем путем удаления токсинов из окружающей среды.
Пестициды
Из множества способов борьбы с загрязнением пестицидами, биоремедиация представляется наиболее эффективным. Многие территории по всему миру загрязнены агрохимикатами. Эти агрохимикаты часто устойчивы к биоразложению, что было предусмотрено при их создании. Они наносят вред всем формам жизни, вызывая долгосрочные проблемы со здоровьем, такие как рак, кожные высыпания, слепота, паралич и психические расстройства. Актинобактерии являются перспективным кандидатом для применения in situ, особенно для удаления пестицидов. Эффективность разложения пестицидов повышается при объединении определенных штаммов актинобактерий. Этот метод не только многоразовый, но и улучшается при повторном использовании, поскольку ограничение пространства миграции клеток позволяет им воздействовать на конкретные участки, не истощая при этом их очищающие свойства. Несмотря на многообещающие результаты, актинобактерии пока использовались только в контролируемых лабораторных условиях, и для определения их экономической эффективности и возможности масштабирования необходимы дальнейшие исследования.
Ограничения биологического восстановления
Биоремедиация может использоваться для минерализации органических загрязнителей, частичной трансформации загрязнителей или изменения их подвижности. Тяжелые металлы и радионуклиды, как правило, не поддаются биодеградации, но могут быть биотрансформированы в менее подвижные формы. В некоторых случаях микроорганизмы не полностью минерализуют загрязняющее вещество, что потенциально может привести к образованию более токсичного соединения. Молекулярные механизмы биоремедиации представляют значительный интерес. Биодеградация требует наличия микробной популяции, обладающей метаболической способностью разлагать загрязнитель.
Еще одним серьезным недостатком является поиск подходящего вида для проведения биоремедиации. Чтобы предотвратить интродукцию и распространение инвазивного вида в экосистему, необходим местный вид. Также требуется, чтобы вид был достаточно многочисленным для очистки всей загрязненной территории, не истощая при этом свою популяцию. Наконец, вид должен быть достаточно устойчивым, чтобы выдерживать существующие условия окружающей среды. Эти специфические критерии могут затруднить проведение биоремедиации на загрязненном участке. В сельскохозяйственной отрасли использование пестицидов является основным фактором прямого загрязнения почвы и сточных вод. Ограничением или проблемой при ремедиации пестицидов является их низкая биодоступность. Изменение pH и температуры загрязненной почвы может повысить биодоступность, что, в свою очередь, увеличит разложение вредных соединений. Поскольку опыт работы с опасными загрязнителями ограничен, необходимы лабораторные исследования для оценки эффективности, разработки схем лечения и определения сроков проведения работ.
Генетическая инженерия
Использование генной инженерии для создания организмов, специально предназначенных для биоремедиации, находится на стадии предварительных исследований. В организм можно ввести две категории генов: деградативные гены, кодирующие белки, необходимые для разложения загрязняющих веществ, и репортерские гены, кодирующие белки, способные отслеживать уровни загрязнения. Многочисленные представители рода Pseudomonas были модифицированы геном lux для обнаружения полиароматического углеводорода нафталина. Полевые испытания по выпуску модифицированного организма были успешно проведены в умеренно крупном масштабе. Существуют опасения, связанные с высвобождением и ограничением распространения генетически модифицированных организмов в окружающую среду из-за потенциальной горизонтальной передачи генов. Генетически модифицированные организмы классифицируются и регулируются в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами 1976 года под эгидой Агентства по охране окружающей среды США. Разработаны меры для решения этих проблем. Организмы могут быть модифицированы таким образом, чтобы выживать и расти только в определенных условиях окружающей среды. Генетически модифицированные организмы были созданы для ликвидации разливов нефти и разложения определенных видов пластика (ПЭТ).
Добавленное производство
Технологии аддитивного производства, такие как биопечать, предоставляют уникальные преимущества, которые могут быть использованы в биоремедиации для создания структур с характеристиками, адаптированными к биологическим системам и задачам очистки окружающей среды. И хотя внедрение этой технологии в биоремедиацию находится на начальном этапе, эта область демонстрирует значительный рост.