Zanieczyszczenie środowiska i środek zaradczy: bioremediacja

Szczegóły

Odsłony: 6898

dr hab. Magdalena Popowska, prof. UW - Prezes Spółki BACTrem

Artykuł popularno - naukowy

Artykuł ukazał się w: The Reverse Logistics Times

Głównym źródłem zanieczyszczeń środowiska jest działalność człowieka, w mniejszym stopniu procesy naturalne. Do głównych należą: wycieki z podziemnych zbiorników paliw; plamy produktów ropopochodnych; wycieki z rafinerii; awarie rurociągów przesyłających ropę; skażenia pochodzące z nieszczelnych szamb; wiercenia związane z poszukiwaniem ropy i gazu ziemnego; składowiska osadów ściekowych; składowiska odpadów niebezpiecznych; środki ochrony roślin stosowane w rolnictwie.

Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (US EPA) wymienia 129 związków jako szczególnie niebezpieczne dla środowiska naturalnego. Związki z tej listy powodujące skażenia powinny być usuwane ze środowiska priorytetowo. Liczne Rozporządzenia Ministra Środowiska oraz Ministra Zdrowia określają wartości dopuszczalne stężeń danych substancji w glebie lub ziemi, wodzie przeznaczonej do spożycia przez ludzi, kąpieliskach. W ww. rozporządzeniach znajdują się związki, które mogą zostać wyeliminowane ze środowiska w wyniku procesu bioremediacji. Do najbardziej niebezpiecznych należą:
1. węglowodory jednopierścieniowe - BTEX;
2. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne - WWA;
3. pestycydy;
4. chlorowcopochodne węglowodory alifatyczne;
5. inne związki organiczne tego typu jak alkohole, aldehydy, dioksyny, polichlorobifenyle (PCB), nitrozwiązki aromatyczne.
Związki te wykazują bardzo toksyczne działanie na florę i faunę włączając w to również działanie karcynogenne (powodujące zachorowanie na raka) dla ludzi i zwierząt.

Kreozot – problem podkładów kolejowych

Przykładem niezwykle niebezpiecznego odpadu (kod 17 02 04), który zwiera związki rakotwórcze są np. drewniane podkłady kolejowe lub inne odpady drewniane nasyconego olejem kreozotowym. Kreozot - składa się ze skomplikowanej mieszaniny setek różnych składników, w tym dwu- i wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA), bardzo szkodliwych dla środowiska i stanowiących ogromne zagrożenie dla przyszłych pokoleń. Jeżeli drewno, które zostało zaimpregnowane kreozotem, wejdzie w bezpośredni kontakt z glebą lub wodą, powstają poważne zagrożenia dla środowiska. Dlatego wprowadzenie tej substancji na rynek UE dopuszczone jest wyłącznie w przypadku, gdy firma otrzyma stosowne pozwolenie. Od 2003 r. nie mogą używać jej konsumenci. Komisja Europejska zaostrzyła przepisy dotyczące stosowania kreozotu, nowe przepisy weszły w życie 1 maja 2013 r. Zgodnie z Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 528/2012 z dnia 22 maja 2012 r., od 1 maja 2013 r. kreozot, stosowany do impregnacji podkładów kolejowych, uznano za bezprogowy czynnik rakotwórczy i sklasyfikowano jako substancję rakotwórczą kategorii 1B, a niektóre z WWA uznano za trwałe, zdolne do biokumulacji i toksyczne.

Od ponad 100 lat kreozot był używany do konserwacji wyrobów drewnianych przeznaczonych do stosowania wyłącznie na otwartej przestrzeni, w tym podkładów kolejowych i słupów teletechnicznych. Stwarza szczególne zagrożenie w przypadkach, gdy impregnowane nim drewno ma bezpośredni kontakt z glebą, wodą lub jest wykorzystywane jako surowiec opałowy. Spalane podkłady kolejowe zatruwają najbliższe otoczenie, pyły powstające podczas spalania pozostają zawieszone w powietrzu, a następnie opadają np. na przydomowe ogrody. Zgodnie z obowiązującym prawem, posiadanie zużytych podkładów kolejowych w gospodarstwach domowych jest nielegalne, gdyż przepisy nie zezwalają na ich przekazywanie prywatnym użytkownikom. Ponieważ podkłady kolejowe są odpadem niebezpiecznym, ich transportem i utylizacją mogą zajmować się tylko wyspecjalizowane firmy posiadające odpowiednie zezwolenia. Natomiast ten, kto składuje odpady niebezpieczne w miejscach nieprzeznaczonych do tego celu podlega karze aresztu lub grzywny. (Więcej na temat szkodliwości kreozotu można przeczytać- CHEMIK 2014, 68, 11, 979–982) Niestety nadal można kupić 'za grosze' zużyte podkłady kolejowe, sprzedawane do tzw. zagospodarowania przestrzennego np. w ogródkach działkowych lub oferowane przez firmy ogrodnicze.

Środki ochrony roślin niekoniecznie zdrowe dla człowieka

Inne niebezpieczne substancje to powszechnie stosowane w rolnictwie chemiczne środki ochrony roślin – pestycydy. Prowadzą do wysokiego poziomu porażenia gleby pozostałościami tych toksycznych preparatów oraz przenikania tych związków do uprawianych roślin. Przyczyniają się do zachwiania równowagi biologicznej pomiędzy ryzosferą żywych organizmów, obniżenia liczebności specyficznej saprofitycznej mikroflory gleby, tj. do zachwiania biocenozy gleby iunicestwienia jej ochronnej warstwy – mulczu. Zaburzenia równowagi biologicznej gleby, przejawiają się m.in. zahamowaniem rozwoju i aktywności mikroorganizmów glebowych np. przeprowadzających biologiczne wiązanie wolnego azotu zapewniające utrzymanie równowagi pomiędzy ilością azotu molekularnego a ilością azotu azotanowego i amonowego w glebie. Innym niekorzystnym działanie jest nadmierny rozwój grzybów niekorzystnie wpływających na stan gleby. To z kolei prowadzi do spowolnienia procesów rozkładu resztek roślinnych, kumulowaniu się ligniny, fenoli i innych fitotoksyn i fitopatogenów, doprowadzając do porażenia materiału siewnego fitopatogenami i znacznego ograniczenia wzrostu kultur rolniczych. Przykładem mogą być herbicydy np. Roundup powszechnie stosowany w celu pozbycia się chwastów i ich korzeni zarówno w rolnictwie, ogrodach działkowych jak i do oprysku torowisk tramwajowych i kolejowych i poboczy dróg. Głównym składnikiem herbicydów jest glifosat, związek ogólnoustrojowych, nieselektywny, powoduje niszczenie całej flory a nie tylko chwastów. Mechanizm działania polega na hamowaniu aktywności EPSPS (syntaza 5-enolopirogroniano-szikimowo-3- fosforanowa), który jest kluczowym enzymem na szlaku metabolicznym kwasu szikimowego, związanego z biosyntezą aromatycznych aminokwasów niezbędnych do syntezy białek. EPSPS występuje u wszystkich mikroorganizmów, grzybów i roślin. Innym sposobem działania glifosatu jest desykacja, czyli odwodnienie tkanek roślin co prowadzi do zaburzeń cyklu fotosyntezy i respiracji.
Początkowo uważano, że herbicydy szybko ulegają biodegradacji w glebie w wyniku działania mikroorganizmów. Jednak, doniesienia literaturowe i liczne badania, w tym zespołu naukowego Firmy BACTrem, wskazują, że to nie jest prawdą. Czas rozkładu tego związku wynosi kilka miesięcy i jest uzależniony od wielu czynników (rodzaj gleby, wilgotność, temperatura). Poprzez akumulację i zaleganie w glebie, np. Roundup tworzy poważne zagrożenia środowiskowe: przedostaje się do wód gruntowych, może działać fitotoksycznie na wrażliwe uprawy następcze, pozostaje w płodach rolnych co może powodować szkodliwe działanie na zdrowie ludzi i zwierząt. Liczne publikacje wskazują na związek stosowania herbicydów opartych o glifosat i jego obecności we krwi u ludzi z zachorowalnością na raka. Wykazano także działanie typowe dla modulatorówhormonalnych przez co wpływ na układ wydzielania wewnętrznego u zwierząt oraz na rozwój płodu u kobiet.

Metody unieszkodliwiania odpadów niebezpiecznych

Opracowano kilka strategii remediacji gruntów – metody fizyczne, chemiczne i biologiczne. Jednak za najtańsze i najbardziej skuteczne, a co za tym idzie bezpieczne uważane są technologie bioremediacji wykorzystujące potencjał metaboliczny mikroorganizmów. Bioremediacja jest procesem naprawczym, w którym wykorzystuje się mikroorganizmy, takie jak bakterie, drożdże oraz grzyby strzępkowe w celu rozłożenia niebezpiecznych substancji w mniej toksyczne lub nietoksyczne związki.
Główne procesy składające się na technologie bioremediacji to: bioremediacja podstawowa (naturalna), biostymulacja oraz bioaugmentacja określane łącznie jako bioremediacja inżynieryjna. Zastosowanie technologii bioremadiacji, jako metody biologicznego usuwania ze środowiska naturalnego skażeń różnego typu substancjami chemicznymi, głównie przy udziale mikroorganizmów, umożliwia obniżenie poziom zanieczyszczeń w określonych i akceptowalnych ramach czasowych do poziomu bezpiecznego dla życia organizmów. W rankingu technik usuwania z gleby np. produktów naftowych (m.in. metody fizyczne i chemiczne) bioremediacja została uznana za najbardziej naturalny i przyjazny proces „leczenia" środowiska i ta ocena pozostaje niezmieniona. W zależności od właściwości oraz poziomu zanieczyszczenia, jak również charakteru środowiska poddawanego dekonataminacji, wybierana jest strategia bioremediacji najbardziej adekwatna do danego obszaru. Rekultywacja skażonego terenu metodą bioremediacji inżynieryjnej może odbywać się in situ (w miejscu skażenia) bądź też ex situ (poza miejscem skażenia).

Strategie bioremediacji

Główne strategie bioremediacji to: bioremediacja podstawowa, biostymulacja oraz bioaugmentacja określane łącznie jako bioremediacja inżynieryjna.

Biostymulacja, technologia będąca siłą napędową bioremediacji inżynieryjnej, obejmuje sumę zabiegów mających na celu pobudzenie autochtonicznej mikroflory środowiska do degradacji zanieczyszczeń. Podejmowane działania ukierunkowane są na stworzenie optymalnych warunków do wzrostu, rozwoju i aktywności mikroorganizmów. Do czynników zaburzających i ograniczających proces bioremediacji naturalnej zalicza się m.in. zbyt wysoką koncentrację substancji zanieczyszczającej, niedobór tlenu i substancji mineralnych, niekorzystną temperaturę i pH środowiska, nieodpowiednią wilgotność. Tempo biodegradacji naturalnej można zwiększyć modyfikując warunki środowiska. Przykładowo, jeżeli gleba ma zbyt dużą kwasowość możliwe jest obniżenie pH poprzez dodanie wapna (Vidali, 2001). Ponadto, ilość dostępnego tlenu cząsteczkowego odgrywa główną rolę w biodegradacji różnych klas zanieczyszczeń chemicznych. Obecnie znanych jest wiele metod umożliwiających poprawę warunków tlenowych środowisk poddawanych bioremediacji. Do powszechnie stosowanych sposobów natleniania należą: wentylacja polegająca na wtłaczaniu sprężonego powietrza poprzez układ drenów, mechaniczna uprawa gruntu (spulchnianie) oraz wtłaczanie rozcieńczonych roztworów nadtlenku wodoru i innych środków utleniających (Bojanowska, 2006). W przypadku grup mikroorganizmów nie będących tlenowcami istotne jest dostarczenie w odpowiedniej ilości innych niż tlen akceptorów elektronów, np. dwutlenku węgla dla metanogenów czy azotynów dla bakterii denitryfikacyjnych. Dodatkowo, proces bioremediacji może limitować stężenie pierwiastków biogennych tj. azotu czy fosforu. W pewnych sytuacjach wymagane jest więc sztuczne wzbogacanie rekultywowanego terenu pożywkami zawierającymi te pierwiastki (Błaszczyk, 2007).

Wprowadzenie do skażonego środowiska bakterii o potencjale do degradacji konkretnych związków określane jest jako bioaugmentacja. Dzięki temu zabiegowi możliwe jest zwiększenie stopnia i tempa destrukcji tychże zanieczyszczeń. Metoda bioaugmentacji wykorzystywana jest w przypadku gdy naturalna mikroflora nie wykazuje pożądanej aktywności w kierunku biodegradacji zanieczyszczeń (Bojanowska, 2006). Mikroorganizmy w postaci inokulum dostarczane są w miejsce skażenia. Drobnoustroje mogą pochodzić z miejsca zanieczyszczonego i po okresie adaptacji być ponownie wprowadzone do środowiska bądź też są to mikroorganizmy izolowane z innych miejsc lecz o pożądanej aktywności katalitycznej.

Bioremediacja podstawowa polega na wykorzystaniu naturalnej mikroflory skażonego gruntu oraz monitorowania postępu likwidacji skażenia.