Biorimedio - Bioremediation

Il biorisanamento è un processo utilizzato per trattare i mezzi contaminati , inclusi acqua, suolo e materiale del sottosuolo, alterando le condizioni ambientali per stimolare la crescita di microrganismi e degradare gli inquinanti target. I casi in cui si osserva comunemente il biorisanamento sono le fuoriuscite di petrolio, i terreni contaminati da drenaggi minerari acidi, le perdite di tubi sotterranei e la pulizia della scena del crimine. Questi composti tossici vengono metabolizzati dagli enzimi presenti nei microrganismi. La maggior parte dei processi di biorisanamento comporta reazioni di ossidoriduzione in cui viene aggiunto un accettore di elettroni (normalmente ossigeno) per stimolare l'ossidazione di un inquinante ridotto (ad esempio idrocarburi) o un donatore di elettroni (normalmente un substrato organico) per ridurre gli inquinanti ossidati (nitrato, perclorato). , metalli ossidati, solventi clorurati, esplosivi e propellenti). Il biorisanamento viene utilizzato per ridurre l'impatto dei sottoprodotti creati da attività antropiche, come l'industrializzazione e i processi agricoli. In molti casi, il biorisanamento è meno costoso e più sostenibile di altre alternative di risanamento . Altre tecniche di bonifica includono, desorbimento termico , vetrificazione , strippaggio dell'aria , bioleaching , rizofiltrazione e lavaggio del suolo. Il trattamento biologico, il biorisanamento, è un approccio simile utilizzato per trattare i rifiuti, comprese le acque reflue, i rifiuti industriali e i rifiuti solidi. L'obiettivo finale del biorisanamento è rimuovere o ridurre i composti nocivi per migliorare la qualità del suolo e dell'acqua.

I contaminanti possono essere rimossi o ridotti con diverse tecniche di biorisanamento in-situ o ex-situ . Le tecniche di biorisanamento sono classificate in base alla località di trattamento. Le tecniche in situ trattano i siti inquinati in modo non distruttivo ed economico. Considerando che le tecniche ex-situ richiedono comunemente lo scavo del sito contaminato, il che aumenta i costi. In entrambi questi approcci, possono essere aggiunti ulteriori nutrienti, vitamine, minerali e tamponi di pH per ottimizzare le condizioni per i microrganismi. In alcuni casi, vengono aggiunte colture microbiche specializzate ( biostimolazione ) per migliorare ulteriormente la biodegradazione . Alcuni esempi di tecnologie relative al biorisanamento sono il fitorisanamento , il bioventing , la bioattenuazione , il biosparging , il compostaggio (biopile e andane) e il landfarming .

Chimica

La maggior parte dei processi di biorisanamento comporta reazioni di ossidoriduzione ( redox ) in cui una specie chimica dona un elettrone ( donatore di elettroni ) a una specie diversa che accetta l'elettrone ( accettore di elettroni ). Durante questo processo, il donatore di elettroni viene ossidato mentre l'accettore di elettroni viene ridotto. I comuni accettori di elettroni nei processi di biorisanamento includono ossigeno , nitrato , manganese (III e IV), ferro (III), solfato , anidride carbonica e alcuni inquinanti (solventi clorurati, esplosivi, metalli ossidati e radionuclidi). I donatori di elettroni includono zuccheri, grassi, alcoli, materiale organico naturale, idrocarburi combustibili e una varietà di inquinanti organici ridotti. Il potenziale redox per le comuni reazioni di biotrasformazione è mostrato nella tabella.

Processi Reazione Potenziale redox (E h in mV )
aerobico O 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O 600 ~ 400
anaerobico
denitrificazione 2NO 3 + 10e + 12H + → N 2 + 6H 2 O 500 ~ 200
riduzione del manganese IV MnO 2 + 2e + 4H + → Mn 2+ + 2H 2 O 400 ~ 200
riduzione del ferro III Fe(OH) 3 + e + 3H + → Fe 2+ + 3H 2 O 300 ~ 100
riduzione del solfato SO 4 2− + 8e +10 H + → H 2 S + 4H 2 O 0 ~ −150
fermentazione 2CH 2 O → CO 2 + CH 4 −150 ~ −220

Tecniche in situ

Rappresentazione visiva che mostra il biorisanamento in situ . Questo processo prevede l'aggiunta di ossigeno, sostanze nutritive o microbi nel terreno contaminato per rimuovere gli inquinanti tossici. La contaminazione include rifiuti interrati e perdite di tubi sotterranei che si infiltrano nei sistemi di acque sotterranee. L'aggiunta di ossigeno rimuove gli inquinanti producendo anidride carbonica e acqua.

Bioventing

Il bioventing è un processo che aumenta il flusso di ossigeno o aria nella zona insatura del suolo, questo a sua volta aumenta il tasso di degradazione naturale in situ del contaminante idrocarburico mirato. Il bioventing, un biorisanamento aerobico, è la forma più comune di processo di biorisanamento ossidativo in cui l'ossigeno viene fornito come accettore di elettroni per l'ossidazione del petrolio , degli idrocarburi poliaromatici (IPA), dei fenoli e di altri inquinanti ridotti. L'ossigeno è generalmente l'accettore di elettroni preferito a causa della maggiore resa energetica e perché l'ossigeno è necessario per alcuni sistemi enzimatici per avviare il processo di degradazione. I microrganismi possono degradare un'ampia varietà di idrocarburi, inclusi componenti di benzina, cherosene, diesel e carburante per aerei. In condizioni aerobiche ideali, i tassi di biodegradazione dei composti alifatici , aliciclici e aromatici di peso da basso a moderato possono essere molto elevati. All'aumentare del peso molecolare del composto, aumenta contemporaneamente la resistenza alla biodegradazione. Ciò si traduce in composti volatili più contaminati a causa del loro alto peso molecolare e una maggiore difficoltà di rimozione dall'ambiente.

La maggior parte dei processi di biorisanamento comporta reazioni di ossidoriduzione in cui viene aggiunto un accettore di elettroni (normalmente ossigeno) per stimolare l'ossidazione di un inquinante ridotto (ad esempio idrocarburi) o un donatore di elettroni (normalmente un substrato organico) per ridurre gli inquinanti ossidati (nitrato, perclorato). , metalli ossidati, solventi clorurati, esplosivi e propellenti). In entrambi questi approcci, possono essere aggiunti ulteriori nutrienti, vitamine, minerali e tamponi di pH per ottimizzare le condizioni per i microrganismi. In alcuni casi, vengono aggiunte colture microbiche specializzate ( bioaccrescimento ) per migliorare ulteriormente la biodegradazione.

Gli approcci per l'aggiunta di ossigeno al di sotto della falda freatica includono il ricircolo dell'acqua aerata attraverso la zona di trattamento, l'aggiunta di ossigeno puro o perossidi e l' aria compressa . I sistemi di ricircolo sono tipicamente costituiti da una combinazione di pozzi o gallerie di iniezione e uno o più pozzi di recupero in cui le acque sotterranee estratte vengono trattate, ossigenate, modificate con nutrienti e reiniettate. Tuttavia, la quantità di ossigeno che può essere fornita con questo metodo è limitata dalla bassa solubilità dell'ossigeno nell'acqua (da 8 a 10 mg/L per l'acqua in equilibrio con l'aria a temperature tipiche). Maggiori quantità di ossigeno possono essere fornite mettendo a contatto l'acqua con ossigeno puro o aggiungendo acqua ossigenata (H 2 O 2 ) all'acqua. In alcuni casi, fanghi di perossido di calcio o magnesio solido vengono iniettati sotto pressione attraverso le perforazioni del terreno. Questi perossidi solidi reagiscono con l'acqua liberando H 2 O 2 che poi si decompone liberando ossigeno. Il getto d'aria comporta l'iniezione di aria sotto pressione al di sotto della falda freatica. La pressione di iniezione dell'aria deve essere sufficientemente grande da superare la pressione idrostatica dell'acqua e la resistenza al flusso d'aria attraverso il terreno.

Biostimolazione

Il biorisanamento può essere effettuato da batteri naturalmente presenti nell'ambiente o aggiungendo sostanze nutritive, questo processo è chiamato biostimolazione.

I batteri, noti anche come microbi, sono presenti naturalmente nell'ambiente e vengono utilizzati per degradare gli idrocarburi. Molti processi biologici sono sensibili al pH e funzionano in modo più efficiente in condizioni quasi neutre. Un pH basso può interferire con l'omeostasi del pH o aumentare la solubilità dei metalli tossici. I microrganismi possono spendere energia cellulare per mantenere l'omeostasi o le condizioni citoplasmatiche possono cambiare in risposta a variazioni esterne del pH. Gli anaerobi si sono adattati a condizioni di pH basso attraverso alterazioni del flusso di carbonio ed elettroni, morfologia cellulare, struttura della membrana e sintesi proteica.

Il biorisanamento che utilizza i microbi funziona attraverso l'uso di un consorzio microbico . In questo contesto, un consorzio microbico è una popolazione di microbi simbioticamente associata che sopravvive utilizzando i metaboliti secondari delle specie che li circondano. Una singola specie di microbi è generalmente incapace di scomporre completamente molecole complesse, ma può essere in grado di degradare parzialmente un composto. Un'altra parte di quella molecola parzialmente digerita può essere scomposta da un'altra specie nei consorzi, un modello che può essere ripetuto fino a quando il contaminante ambientale non viene scomposto in sottoprodotti innocui.

Un esempio di biostimolazione nella falda acquifera della pianura del fiume Snake in Idaho. Questo processo prevede l'aggiunta di siero di latte in polvere per favorire l'utilizzo dei batteri naturalmente presenti. Il siero di latte in polvere funge da substrato per favorire la crescita dei batteri. In questo sito, i microrganismi scompongono il composto cancerogeno tricloroetilene (TCE), che è un processo visto in studi precedenti.

In caso di biostimolazione, aggiungendo nutrienti che sono limitati per rendere l'ambiente più adatto al biorisanamento, possono essere aggiunti al sistema nutrienti come azoto, fosforo, ossigeno e carbonio per migliorare l'efficacia del trattamento. I nutrienti sono necessari per la biodegradazione dell'inquinamento da petrolio e possono essere utilizzati per ridurre la produzione negativa sull'ambiente. Specifici per le fuoriuscite di petrolio in mare, l'azoto e il fosforo sono stati nutrienti chiave nella biodegradazione.

Molti processi biologici sono sensibili al pH e funzionano in modo più efficiente in condizioni quasi neutre. Un pH basso può interferire con l'omeostasi del pH o aumentare la solubilità dei metalli tossici. I microrganismi possono spendere energia cellulare per mantenere l'omeostasi o le condizioni citoplasmatiche possono cambiare in risposta a variazioni esterne del pH. Alcuni anaerobi si sono adattati a condizioni di pH basso attraverso alterazioni del flusso di carbonio ed elettroni, della morfologia cellulare, della struttura della membrana e della sintesi proteica.

Il biorisanamento anaerobico può essere impiegato per trattare un'ampia gamma di contaminanti ossidati inclusi etilene clorurati ( PCE , TCE , DCE , VC) , etani clorurati ( TCA , DCA ), clorometani ( CT , CF ), idrocarburi ciclici clorurati, vari tipi di energia (ad es. perclorato , RDX , TNT ) e nitrato . Questo processo comporta l'aggiunta di un donatore di elettroni per: 1) esaurire gli accettori di elettroni di fondo inclusi ossigeno, nitrato, ferro ossidato e manganese e solfato; e 2) stimolare la riduzione biologica e/o chimica degli inquinanti ossidati. Il cromo esavalente (Cr[VI]) e l'uranio (U[VI]) possono essere ridotti a forme meno mobili e/o meno tossiche (es. Cr[III], U[IV]). Allo stesso modo, la riduzione del solfato in solfuro (solfidogenesi) può essere utilizzata per precipitare alcuni metalli (ad es. zinco , cadmio ). La scelta del substrato e il metodo di iniezione dipendono dal tipo e dalla distribuzione del contaminante nell'acquifero, dall'idrogeologia e dagli obiettivi di bonifica. Il substrato può essere aggiunto utilizzando installazioni di pozzi convenzionali, con tecnologia a spinta diretta o mediante scavo e riempimento come barriere reattive permeabili (PRB) o biopareti. I prodotti a lento rilascio composti da oli commestibili o substrati solidi tendono a rimanere in posizione per un periodo di trattamento prolungato. I substrati solubili o i prodotti di fermentazione solubili dei substrati a rilascio lento possono potenzialmente migrare per avvezione e diffusione, fornendo zone di trattamento più ampie ma di breve durata. I substrati organici aggiunti vengono prima fermentati ad idrogeno (H 2 ) e acidi grassi volatili (VFA). I VFA, inclusi acetato, lattato, propionato e butirrato, forniscono carbonio ed energia per il metabolismo batterico.

bioattenuazione

Durante la bioattenuazione, la biodegradazione avviene naturalmente con l'aggiunta di nutrienti o batteri. I microbi indigeni presenti determineranno l'attività metabolica e fungeranno da attenuazione naturale. Sebbene non vi sia alcun coinvolgimento antropico nella bioattenuazione, il sito contaminato deve essere comunque monitorato.

Biosparging

Il biosparging è il processo di bonifica delle acque sotterranee quando viene iniettato ossigeno e possibili nutrienti. Quando viene iniettato ossigeno, i batteri indigeni vengono stimolati ad aumentare il tasso di degradazione. Tuttavia, il biosparging si concentra su zone contaminate sature, in particolare legate alla bonifica delle acque sotterranee.

Tecniche ex situ

Biopile

Le biopile, simili al bioventing, vengono utilizzate per ridurre gli inquinanti del petrolio introducendo idrocarburi aerobici nei terreni contaminati. Tuttavia, il terreno viene scavato e accatastato con un sistema di aerazione. Questo sistema di aerazione migliora l'attività microbica introducendo ossigeno sotto pressione positiva o rimuovendo ossigeno sotto pressione negativa.

andane

L'ex raffineria Shell Haven a Standford-le-Hope che è stata sottoposta a biorisanamento per ridurre il sito contaminato da petrolio. Tecniche di biorisanamento, come le andane, sono state utilizzate per promuovere il trasferimento di ossigeno. La raffineria ha scavato circa 115.000 m 3 di terreno contaminato.

I sistemi di andane sono simili alle tecniche di compostaggio in cui il terreno viene periodicamente girato per migliorare l'aerazione. Questo rivolgimento periodico permette inoltre di distribuire uniformemente i contaminanti presenti nel suolo accelerando il processo di biorisanamento.

agricoltura Land

Il landfarming, o trattamento del terreno, è un metodo comunemente usato per le fuoriuscite di fanghi. Questo metodo disperde il terreno contaminato e aera il terreno ruotando ciclicamente. Questo processo è un'applicazione al di sopra della terra e i terreni contaminati devono essere poco profondi per stimolare l'attività microbica. Tuttavia, se la contaminazione è più profonda di 5 piedi, è necessario scavare il terreno in superficie.

Metalli pesanti

I metalli pesanti diventano presenti nell'ambiente a causa di attività antropiche o fattori naturali. Le attività antropogeniche comprendono le emissioni industriali, i rifiuti elettronici e l'estrazione di minerali. I fattori naturali includono l'erosione dei minerali, l'erosione del suolo e gli incendi boschivi. I metalli pesanti tra cui cadmio, cromo, piombo e uranio sono diversi dai composti organici e non possono essere biodegradati. Tuttavia, i processi di biorisanamento possono essere potenzialmente utilizzati per ridurre la mobilità di questi materiali nel sottosuolo, riducendo il potenziale di esposizione umana e ambientale. I metalli pesanti di questi fattori sono prevalentemente presenti nelle fonti d'acqua a causa del deflusso dove vengono assorbiti dalla fauna e dalla flora marina.

La mobilità di alcuni metalli tra cui cromo (Cr) e uranio (U) varia a seconda dello stato di ossidazione del materiale. I microrganismi possono essere utilizzati per ridurre la tossicità e la mobilità del cromo riducendo il cromo esavalente, Cr(VI) a Cr trivalente (III). L'uranio può essere ridotto dallo stato di ossidazione U(VI) più mobile allo stato di ossidazione U(IV) meno mobile. I microrganismi vengono utilizzati in questo processo perché il tasso di riduzione di questi metalli è spesso lento a meno che non sia catalizzato da interazioni microbiche Sono in corso anche ricerche per sviluppare metodi per rimuovere i metalli dall'acqua migliorando l'assorbimento del metallo sulle pareti cellulari. Questo approccio è stato valutato per il trattamento di cadmio, cromo e piombo. I processi di fitoestrazione concentrano i contaminanti nella biomassa per la successiva rimozione.

pesticidi

Per vari erbicidi e altri pesticidi sia aerobici che anaerobici - gli eterotrofi si sono dimostrati efficaci, tra cui Flavobacterium spp. e Arthrobacter spp. Gli aerobi sono la scelta primaria per gli organofosfati e le sostanze non clorurate . Le strutture clorurate (più comunemente DDT , DDE (diclorodifenildicloroetilene) , eptacloro , dieldrin e clordano ) sono difficili da disintossicare veramente, ma le triazine e gli organofosfati (inclusi malathion e parathion ) sono relativamente più facili da trovare un rimedio. Ciò è particolarmente utile per l' atrazina (una triazina) che in precedenza era notoriamente persistente.

Limiti del biorisanamento

Il biorisanamento può essere utilizzato per mineralizzare completamente gli inquinanti organici, per trasformare parzialmente gli inquinanti o alterarne la mobilità. I metalli pesanti e i radionuclidi sono elementi che non possono essere biodegradati, ma possono essere biotrasformati in forme meno mobili. In alcuni casi, i microbi non mineralizzano completamente l'inquinante, producendo potenzialmente un composto più tossico. Ad esempio, in condizioni anaerobiche, la dealogenazione riduttiva del TCE può produrre dicloroetilene (DCE) e cloruro di vinile (VC), che sono sospetti o noti agenti cancerogeni . Tuttavia, il microrganismo Dehalococcoides può ridurre ulteriormente DCE e VC al prodotto non tossico etene. Sono necessarie ulteriori ricerche per sviluppare metodi per garantire che i prodotti della biodegradazione siano meno persistenti e meno tossici del contaminante originale. Pertanto, devono essere note le vie metaboliche e chimiche dei microrganismi di interesse. Inoltre, conoscere questi percorsi aiuterà a sviluppare nuove tecnologie in grado di gestire siti con distribuzioni irregolari di una miscela di contaminanti.

Inoltre, affinché si verifichi la biodegradazione, deve esserci una popolazione microbica con la capacità metabolica di degradare l'inquinante, un ambiente con le giuste condizioni di crescita per i microbi e la giusta quantità di nutrienti e contaminanti. I processi biologici utilizzati da questi microbi sono altamente specifici, quindi molti fattori ambientali devono essere presi in considerazione e regolati. Pertanto, i processi di biorisanamento devono essere specificamente realizzati in conformità alle condizioni del sito contaminato. Molti fattori sono interdipendenti, come i test su piccola scala che di solito vengono eseguiti prima di eseguire la procedura nel sito contaminato. Tuttavia, può essere difficile estrapolare i risultati degli studi di test su piccola scala in grandi operazioni sul campo. In molti casi, il biorisanamento richiede più tempo rispetto ad altre alternative come il riempimento delle discariche e l' incenerimento . Un altro esempio è il bioventing, che è poco costoso per il biorisanamento dei siti contaminati, tuttavia questo processo è esteso e può richiedere alcuni anni per decontaminare un sito.

 Nelle industrie agricole, l'uso di pesticidi è uno dei principali fattori di contaminazione diretta del suolo e delle acque di scolo. La limitazione o la bonifica dei pesticidi è la bassa biodisponibilità. L'alterazione del pH e della temperatura del suolo contaminato è una soluzione per aumentare la biodisponibilità che, a sua volta, ha aumentato la degradazione dei composti nocivi.

Il composto acrilonitrile è comunemente prodotto in ambiente industriale ma contamina negativamente i terreni. I microrganismi contenenti nitrile idratasi (NHase) hanno degradato i composti nocivi dell'acrilonitrile in sostanze non inquinanti.

Poiché l'esperienza con contaminanti nocivi è limitata, sono necessarie pratiche di laboratorio per valutare l'efficacia, i progetti di trattamento e stimare i tempi di trattamento. I processi di biorisanamento possono richiedere diversi mesi o diversi anni a seconda delle dimensioni dell'area contaminata.

Ingegneria genetica

L'uso dell'ingegneria genetica per creare organismi specificamente progettati per il biorisanamento è in fase di ricerca preliminare. Nell'organismo possono essere inserite due categorie di geni: geni degradativi che codificano proteine ​​necessarie per la degradazione degli inquinanti e geni reporter in grado di monitorare i livelli di inquinamento. Numerosi membri di Pseudomonas sono stati modificati anche con il gene lux, ma per la rilevazione dell'idrocarburo poliaromatico naftalene. Un test sul campo per il rilascio dell'organismo modificato ha avuto successo su scala moderatamente ampia.

Ci sono preoccupazioni riguardo al rilascio e al contenimento di organismi geneticamente modificati nell'ambiente a causa del potenziale trasferimento genico orizzontale. Gli organismi geneticamente modificati sono classificati e controllati sotto le Toxic Substances Control Act del 1976 sotto Environmental Protection Agency degli Stati Uniti . Sono state create misure per affrontare queste preoccupazioni. Gli organismi possono essere modificati in modo tale da poter sopravvivere e crescere solo in determinate condizioni ambientali. Inoltre, il monitoraggio degli organismi modificati può essere facilitato con l'inserimento di geni di bioluminescenza per l'identificazione visiva.

Gli organismi geneticamente modificati sono stati creati per trattare le fuoriuscite di petrolio e abbattere alcune plastiche (PET).

Guarda anche

Riferimenti

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