4.2. Методи за биоремедиация

Методите за биоремедиация могат да се групират в пет категории: in situ, ex situ, биореактори, естествено самопречистване и фиторемедиация. Те постигат главно едно от следните две неща: или отстраняват замърсителите от субстрата (методи за деконтаминация или почистване) или намаляват риска, произтичащ от замърсителите, като ограничават експозицията (методи за стабилизиране).

4.2.1. Методи за ремедиация in situ

Това са технологиите за биоремедиация, които се прилагат “на място”, без изнасяне на замърсения матрикс от въздуха, водата или почвата . Предимствата и недостатъците на тези методи са представени в Таблица 4.1. Често използваните in situ методи са следните:

Биовентилиране

Биовентилирането включва подаване на въздух и хранителни вещества през кладенци в замърсената почва с цел стимулиране на местните бактерии. Ако замърсяването е дълбоко под повърхността, този метод може да се използва за почистване на околната среда. При биовентилирането въздушният поток се подава с ниска скорост си се предоставя само това количество кислород, което е необходимо за биоразграждането, като същевременно изпаряването и изпускането на замърсители в атмосферата се свежда до минимум (Kumar et al., 2011).

Биодеградация

Биодеградацията е свързана с подаване на кислород и хранителни вещества чрез водни разтвори, циркулиращи през замърсените почви, с цел стимулиране на множеството естествено присъстващи организми да разграждат различни органични замърсители. Този метод се прилага главно за при замърсени почви и подпочвени води.

Биобарботиране

Този метод е една situметодите

4.2.2. Методи за ремедиация ex situ 

4.2.2.1. Култивиране на земя в контролирани условия (ландфарминг)

Този метод е най-лесният и най-ефективният за приложение при замърсени с нефт почви. Основната цел е да се стимулират естествените биоразграждащи организми и да се способства осъществяваното от тях аеробно разлагане на замърсителите. Култивирането на земя в контролирани условия (ландфарминг) привлече голямо внимание като алтернативен метод за депониране, тъй като има потенциала да намали разходите за мониторинг и поддръжка, както и пасивите, свързани с почистването. Приложението обаче е ограничено до обработка на повърхностните 10–35 см почва.

4.2.2.2. Компостиране

Методът на компостиране е процес на разграждане на органични отпадъци под действие на микроорганизми в термофилни условия (40-65° C) . Прилаган е за почви и биоотлагания, които са замърсени с петролни въглеводороди, разтворители, хлорфеноли, пестициди, хербициди, полициклични ароматни въглеводороди (ПАВ) и нитроароматни експлозиви.

4.2.2.3. Биокупчини

Биокупчините са метод за биоремедиация, при който култивирането на земя и компостирането се прилагат като хибридна система. Тази технология, явяваща се усъвършенстван вариант на култивирането на земя в контролирани условия, е насочена към ограничаване на физическите загуби на замърсители, дължащи се на просмукване и изпарение. Приложение намира при пречистване на повърхностни замърсвянания с петролни въглеводороди. Биокупчините се въприемат като приемлив, рентабилен и по-недеструктивен метод за биоремедиация на замърсени с нефт почви.

Таблица 4.2. Предимства и недостатъци на ex situ методите

4.2.3. Биореактори

Представляват големи ферментационни камери ка култивиране на микроорганизми (бактерии или дрожди), които се използват в биотехнологичното производство на вещества, като например фармацевтични препарати. Приложение намират и при превръщането на вредни отпадъци в по-малко ведни вещества. Този метод се използва за ремедиация на почви и води, замърсени с въглеводороди в състава на горивата и органика. В биореакторите имa две фази (твърда и течна). Биоремедиацията в течна фаза (суспензия) е относително по-бърз метод в сравнение с тази в твърда фаза. При биореакторите, работещи в течна фаза (шламови биореактори), замърсената почва се смесва с вода и други добавки в камера с голям обем. За разлика от тях, при твърдофазовите биореактори не се добавя допълнително вода Предимствата и Hедостатъците на този метод са изброени в Таблица 4.3.

Таблица 4.3. Предимства и недостатъци на методите с използване на биореактори.

4.2.4. Естествено самопречистване

Естественото самопречистване е процес, при който се намалява масата, токсичността, подвижността, обемът или концентрацията на замърсителите (органични или неорганични) в почвите, подпочвените и повърхностните води. Тези процеси се делят на физични, химични и биологични. Физичните явления са адвекция, диспергиране, разреждане, дифузия, изпарение и сорбция/десорбция. Химичните процеси са йонообмен, комплексообразуване и абиотична трансформация. Биологичните включват аеробна и анаеробна биодеградация, всмукване или поглъщане от растения и животни. Естественото самопречистване е рентабилен метод за биоремедиация. Предимствата и недостатъците му са представени в Таблица 4.4.

За да може да се приложи естественото пречистване, терените трябва да отговарят на един или повече от следните критерии:

• Трябва да са разположени на място с нисък риск за човешкото здраве или за околната среда.

• Замърсените почви или подпочвени води трябва да са разположени на достатъчно разстояние от потенциалните реципиенти.

• Трябва да има данни, доказващи действителното протичане на естествено самопречистване на терена.

• Високата пропускливост ускорява разнасянето на замърсителите, а слабата пропускливост забавя разпадането им. В идеалния случай естественото самопречистване дава най-добри резултати при почви, чиято пропускливост е в диапазона между ниска и висока.

Таблица 4.4. Предимства и недостатъци на метода естествено самопречистване

4.2.5. Фиторемедиация

Фиторемедиацията е метод за биоремедиация с използване на различни растения или свързани с тях микроорганизми за отстраняване, трансфериране, стабилизиране или разрушаване на замърсителите в почвите, утайките, седиментите, отпадъчните води, подпочвените води и въздуха. Растенията притежават способност да индикират, изключват, акумулират и хиперакумулират или метаболизират токсични органични или неорганични вещества. По този начин те оказват значително влияние върху съдбата на химикалите и могат да се използват за отстраняване на нежелани съединения от биосферата. Фиторемедиацията предлага екологичен, рентабилен и въглеродно неутрален подход за почистване на токсични замърсители от околната среда. Предимствата и недостатъците на този метод са изброени в Таблица 4.5.

Механизмите на фиторемедиация включват фитоекстрация, фитостабилизация, фитоизпарение, фитодеградация, фитоакумулация, ризофилтрация, ризосферна биодеградация и хидравличен контрол. Онагледени са на Фиг. 4.1.

Фитоекстрация

При фитоекстракцията се използват растения или водорасли за премахване на замърсители от почви, седименти и води. При този механизъм растенията отстраняват тежки метали или радионуклиди от почвите чрез кореновата си система и ги натрупват в корените или ги транспортират до стъблата и листата. Едно растение не престава да отстранява замърсители докато не бъде откъснато или отсечено и събрано. Ако след събирането на растенията няма значително ниво на очистване на почвата, обикновено се налага цикълът на растеж и прибиране да се повтори с няколко „реколти“ до постигане на съществено очистване от замърсяването.

Основното предимство на фитоекстракцията е, че е екологичен метод. Не уврежда качеството на почвите. Друга полза от фитоекстракцията е, че е по-евтина от всички други методи за очистване. Тъй като обаче този процес се контролира от растения, той отнема повече време в сравнение с всички други традиционни методи за очистване на почви.

Фитостабилизация

При този механизъм растенията имобилизират замърсяващите химични съединения от почвите и водите. Замърсителите се поемат през корените и се преципитират в ризосферата. Така не се позволява на замърсителя да попадне в хранителната верига.

Фитоизпарение

При този механизъм водата, съдържаща органични замърсители, се поема от растенията и замърсителите се изпаряват във въздуха през листата. По време на целия процес даден замърсител може да претърпи модифициране при придвижването на водата през проводящата система на растениято от корените до листата, след което замърсителите се изпаряват или освобождават в летлива форма във въздуха, заобикалящ растението.

Фитодеградация

При нея замърсителите (органични) се метаболизират и разпадат в тъканите на растенията. След това получените по-малки молекули могат да се използват от растението като метаболити по време на неговия растеж, като по този начин се инкорпорират в тъканите му.

Фитоакумулация

При този механизъм замърсителите се поемат през корените на растенията заедно с други хранителни вещества и вода. Така замърсителят не се разгражда, а се натрупва в стъблата и листата на растението.

Ризофилтрация

Ризофилтрацията използва както сухоземни, така и водни растения за абсорбиране, концентриране и преципитиране на метали от замърсени води (повърхностни или подпочвени).

Ризосферна биодеградация (ризодеградация)

При нея растенията отделят през корените си обикновени вещества, с което предоставят хранителни вещества за почвените микроорганизми. Така микроорганизмите подобряват биологичното разграждане. Например кореновите ексудати от растенията се явяват източници на въглерод (захари, алкохоли и органични киселини) за почвената микрофлора. Тези съединения стимулират растежа и активността на микроорганизмите, а също така служат и като хемотаксисни сигнали за микроорганизмите.

Хидравличен контрол

При този механизъм замърсените подпочвени води се ремедиират от дървета.

Фигура 4.1. Механизми на фиторемедиация

Таблица 4.5. Предимства и недостатъци на метода фиторемедиация