Náprava ekologických škod - 2. část NÁPRAVA EKOLOGICKÝCH ŠKOD 2. ČÁST a) ZÁKLADY MIKROBIOLOGIE PRO APLIKACI V SANAČNÍCH TECHNOLOGIÍCH b) SANAČNÍ TECHNOLOGIE A JEJICH INŽENÝRSKÉ ASPEKTY VÍT MATĚJŮ ENVISAN-GEM, a.s. Biotechnologická divize, Radiová 7, 102 31 PRAHA 10 envisan@grbox.cz Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE ZÁSADA PRO VYUŽÍVÁNÍ MIKROBIÁLNÍCH TECHNOLOGIÍ: • Mikroorganismy pro nás nepracují proto, že my chceme, ale proto, že jim to přináší různé výhody, především energii pro množení a tvorbu biomasy a pro nezbytné fyziologické pochody • Pokud jim zlepšíme podmínky v prostředí, pracují o to lépe. Náprava ekologických škod - 2. část BEZE SLOV Správně je D. PERLMAN Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE MIKROORGANISMY schopné rozkládat polutanty: - bakterie - kvasinky - plísně - nižší houby Nejčastěji se využívají bakterie. Využití kvasinek pro čištění kontaminovaných lokalit prakticky neexistuje. Nižší houby: snaha o jejich využití nevedla k úspěšným výsledkům, takže se v současné době nevyužívají. Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • Bližší informace o použití kvasinek a lignovorních hub k eliminaci některých organických sloučenin bude ve 3. části kurzu. Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • Eukaryontní organismy – kvasinky, nižší houby • Prokaryontní organismy - bakterie Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • PLASMIDY – většinou nesou genetickou informaci pro syntézu enzymů nutných pro degradaci polutantů • Pokud pomnožovací kultivace neprobíhá za selekčního tlaku, hrozí vyředění plasmidů a ztráta biodegradační aktivity. Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • Využívají se kmeny přirozeně se vyskytující v zájmové lokalitě – autochtonní populace • Nebo kmeny uměle připravené (izolace, selekční tlaky, pomnožení) s požadovanými vlastnostmi – allochtonní populace. • Při využití allochtonních kmenů se postup nazývá bioaugmentace – obohacení vyselektovanými kmeny z jiných míst. Zastupitelný termín pro bioaugmentaci je inokulace. • OTÁZKOU JE, JAK DLOUHO INOKULOVANÉ KMENY PŘEŽÍVAJÍ A JAK DLOUHO JSOU AKTIVNÍ Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE CO MIKROORGANISMY UMÍ? • BIOTRANSFORMACE Obměna molekuly polutantu biologickou cestou, výsledek může být pozitivní i negativní • BIODEGRADACE Rozklad organických látek na menší organické či anorganické molekuly (aminokyseliny, monosacharidy, tuky) • MINERALIZACE Oxidace organické látky na oxid uhličitý a vodu (za uvolnění energie a tvorby mikrobiální biomasy) Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE Základní mechanismy využití polutantů NE PROTO, ŽE MY CHCEME POLUTANT Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE KOMETABOLISMUS • Kometabolismus je transformace organické sloučeniny organismy, které nejsou schopné tuto látku využívat jako zdroj energie. • Nespecifické enzymy pro jeden substrát jsou schopné využívat i jiné látky, strukturně podobné (např. monooxygenasy) Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE KOMETABOLISMUS Trichlorethylen (aerobně) Trinitrotoluen 1,1,1-trichlorethan MTBE Chloroform PCB Polyaromatické uhlovodíky a mnoho dalších Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE KOMETABOLISMUS Kometabolická dehalogenace trichlorethylenu za aerobních podmínek Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE BAKTERIE VYUŽÍVANÉ PŘI BIOREMEDIACI • Pseudomonas sp. • Burkholderia sp. • Xanthomonas sp. • Acinetobacter sp. • Micrococcus sp. • Rhodococcus sp. • Ralstonia metallidurans • Deinococcus radiodurans • Arthrobacter sp. • Sphingomonas aromaticivorans • Nocardia sp. • Comamonas sp. Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE BAKTERIE VYUŽÍVANÉ PŘI BIOREMEDIACI Bakterie rodů Xanthomonas sp. a Burkholderia sp. jsou schopné využívat > 100 chemických sloučenin jako substrát. Rhodococcus sp. – lipofilní složky buněčné stěny (peptydoglykan) usnadňují transport lipofilních polutantů do buňky. Vytvářejí biosurfaktant. Jsou schopné velkého množství metabolismů. Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE Pro biologickou sanaci se jen výjimečně využívá jediný bakteriální kmen. Prakticky vždy se jedná o vznik bakteriálního konsorcia, které je vytvořeno vnesenými aktivními kmeny a kmeny vzniklými pod selekčním tlakem kontaminace v prostředí. Mikrobiální konsorcium dehalogenující tetrachlorethan Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE Rhodococcus BURKHOLDERIA Xanthomonas Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • Pro biologický rozklad polutantů je nezbytné, aby mikroorganismy obsahovaly enzymy, které jsou schopné katalyzovat degradační či biotransformační reakce polutantu. • Fyziologické pochody nesmí být inhibovány přítomnými polutanty • Kontaminované prostředí nesmí působit na mikroorganismy toxicky Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • V prostředí je třeba zajistit dostatek makrobiotických prvků (dusík jako NH4 a fosfor jako orthofosfát) a • Vhodné pH, teplotu, dostatek vlhkosti (v půdě) a přítomnost finálních akceptorů elektronů Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • Některé polutanty nelze odbourávat vedle sebe, například TOLUEN CHLORBENZEN Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE OPTIMÁLNÍ PODMÍNKY - BAKTERIE • pH 4,5 až 8,2 • Obsah vlhkosti nejméně 30 % půdní vodní kapacity • Enzymy – oxydasy, monoxygenasy, diooxygenasy, hydrolasy, peroxidasy Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE BIOLOGICKÝ ROZKLAD POLUTANTŮ AEROBNÍ - v přítomnosti kyslíku (alifatické uhlovodíky, některé chlorované ethyleny, aromatické uhlovodíky, fenoly), kyslík je finální akceptor elektronů ANAEROBNÍ – bez přítomnosti kyslíku (pentachlorfenol, tetrachlorethylen, aromatické uhlovodíky, organické kyseliny, nitroaromatické sloučeniny – TNT, RDX, HRX – finální akceptor elektronů jiný než kyslík Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE • AUTOCHTONNÍ: vyskytují se v horninovém, optimalizace podmínek • ALOCHTONNÍ: bioaugmentace, selektované kmeny podle vlastností, příprava na lokalitě (kultivace za selekčních tlaků), vyředění plasmidů – ztráta aktivity Náprava ekologických škod - 2. část MIKROBIOLOGIE FINÁLNÍ AKCEPTORY ELEKTRONŮ Anaerobní Aerobní Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM CO2 + H2O + biomasa Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM Hlavní principy aerobní degradace uhlovodíků Proces spojený s růstem Náprava ekologických škod - 2. část STECHIOMETRIE AEROBNÍHO ROZKLADU UHLOVODÍKŮ • Oxidační reakce: C6H6 + 12 H2O → 6 CO2 + 30 H+ + 30 e• Redukční reakce: 7.5 O2 + 30 H+ + 30 e- → 15 H2O • 1 g C6H6 potřebuje na úplnou oxidaci 3 g O2 Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM 1. Metabolické procesy pro zlepšení kontaktu mezi bakteriální buňkou a organickým polutantem. Molekuly polutantu musí být dopraveny do buňky, protože bakterie nemají exoenzymy pro degradaci polutantů. Například syntéza biologických surfaktantů. Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM 2. Počáteční atak organického polutantu začíná oxidačním procesem, aktivací kyslíku a inkorporací kyslíku do molekuly polutantu. Všechny reakce jsou katalyzovány enzymy oxygenasami a peroxidasami. Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM 3. Periferní degradační cesta převádí organický polutant krok za krokem na meziprodukty centrálního metabolismu, například na trikarboxylové kyseliny. 4. Biosyntéza buněčné hmoty z prekurzorů vzniklých v centrálním metabolismu, např. acetylCoA, sukcinát, pyruvát. Cukry se syntetizují glukoneogenezí (syntéza glukosy v buňce de novo). Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM AEROBNÍ DEGRADACE n-ALKÁNŮ Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM Monooxygenasa do substrátu inkorporuje 1 atom kyslíku, druhý se redukuje na H2O Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM Dioxygenasa inkorporuje do molekuly substrátu 2 molekuly kyslíku Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM Prvním krokem je dioxygenasou katalyzovaný přenos dvou atomů kyslíku do molekuly nafthalenu následovaný štěpením aromatického kruhu. U polyaromatických uhlovodíků s více aromatickými jádry to však funguje trochu jinak. Důvodem jsou termodynamické vlastnosti molekuly Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM AEROBNÍ DEGRADACE POLYAROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ DIOLY !!! Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ DEGRADACE MONOAROMATICKÝCH UHLOVODÍKŮ KATECHOL Náprava ekologických škod - 2. část Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ ROZKLAD ORTHO a META ŠTĚPENÍ KATECHOLU ZA AEROBNÍCH PODMÍNEK JE NEJČASTĚJŠÍ FINÁLNÍ METABOLICKÁ CESTA DEGRADACE AROMATICÝCH UHLOVODÍKŮ 1. Fenol monooxygenasa 2. katechol-1,2-dioxygenasa 3. Laktonizační enzym 4. Isomereasa mukonolaktonu 5. Oxoadipát enollakton hydrolasa 6. Oxoadipát sukcinylCoA transferasa 7. Katechol 2,3-dioxygenasa 8. Hydrolasa semialdehydu kyseliny mukonové 9. Hydrolasa oxopentoové kyseliny 10. Aldolasa 4-hydroxy-2oxovalerové kyseliny Náprava ekologických škod - 2. část AEROBNÍ METABOLISMUM POLUTANTY, KTERÉ LZE BIOLOGICKY ODBOURÁVAT ZA AEROBNÍCH PODMÍNEK: •n-alkany • alkeny • MTBE • organické kyseliny • aldehydy • alkoholy alifatické • fenoly • katechol (dvojsytné fenoly) • trichloethen • dichloethyleny • vinylchlorid • monoaromatické uhlovodíky (benzen, toluen, ethylbenzen a xyleny) • substituované alkany • neutrální tuky • kresol • polyaromatické uhlovodíky do 4 až 5 kondenzovaných aromatických jader • topný olej • letecký petrolej • chlorbenzeny • aniliny • substituované aniliny • a další . . . . . . Náprava ekologických škod - 2. část ANAEROBNÍ METABOLISMUM Finální akceptor elektronů je jiný než kyslík: dusičnan, sulfát, Fe3+, vodík, oxid uhličitý, Mn4+… Anaerobní procesy jsou výrazně pomalejší než aerobní. Vzniká většinou mnohem větší množství vedlejších produktů (některé mohou být toxické) než při aerobním procesu Náprava ekologických škod - 2. část FINÁLNÍ AKCEPTORY ELEKTRONŮ --2 Náprava ekologických škod - 2. část FINÁLNÍ AKCEPTORY ELEKTRONŮ Náprava ekologických škod - 2. část ANAEROBNÍ METABOLISMUM Prakticky se využívá při dehalogenaci substituovaných uhlovodíků a chlorovaných organických sloučenin. Nejznámnější je reduktivní dechlorace perchlorethylenu, který má uhlík v maximálním oxidačním Stupni, takže ho oxidačně nelze rozkládat. Náprava ekologických škod - 2. část ANAEROBNÍ METABOLISMUM Anaerobní procesy se hojně využívají jako předúprava při ošetřování kontaminace polyhalogenovanými sloučeninami, například DDT, polychlorované dioxiny, PCB, chlorované pesticidy, polybromovaná zhášedla či TNT, RDX, HRX apod. DDT Náprava ekologických škod - 2. část ANAEROBNÍ METABOLISMUM Náprava ekologických škod - 2. část ANAEROBNÍ METABOLISMUM • Reduktivní dehalogenací dojde ke změně molekuly, která je potom snáze biologicky odbouratelná. • Samotné biologické čištění polyhalogenovaných sloučenin se proto provádí v sekvencích: anaerobní fáze – aerobní fáze Náprava ekologických škod - 2. část ANAEROBNÍ METABOLISMUM • Anaerobní rozklad n-alkanů a dalších alifatických uhlovodíků je možný, ale je tak pomalý, že nenašel praktického využití. Podmínky, za kterých může probíhat, se dosahují jen obtížně. Náklady na anaerobní čištění materiálů kontaminovaných ropnými uhlovodíky by byly velmi vysoké a trvaly by neúnosně dlouho. Náprava ekologických škod - 2. část POROVNÁNÍ Náprava ekologických škod - 2. část ANOXICKÝ STRES • Přechod mezi aerobním a anaerobním metabolismem tvoří anoxické podmínky (koncentrace rozpuštěného kyslíku v podzemní vodě 0,1 mg.L-1až 0,5 mg.L-1). Při nízkých koncentracích kyslíku v prostředí vzniká tzv. anoxický stres, který způsobuje m.j. zvyšování specifické spotřeby kyslíku na odbourání jednotkového množství organického substrátu (až 10násobně). Tím se výrazně zvyšují náklady na eliminaci organických látek například při čištění odpadních vod ale i při sanacích. Náprava ekologických škod - 2. část KDE ZÍSKAT INFORMACE http://umbbd.msi.umn.edu/ University of Manitoba Biocatalysis/ Biodegradation Database UM - BBD 1. 203 metabolických cest 2. 1405 reakcí 3. 1301 látek 4. 920 enzymů 5. 510 mikroorganismů 6. 246 biotransformačních pravidel 7. 50 organických funkčních skupin 8. 76 reakcí nafthalen 1,2-diooxigenasy 9. 109 reakcí toluendiooxigenasy 21.8.2011 Náprava ekologických škod - 2. část BIOLOGICKÉ SANAČNÍ METODY Náprava ekologických škod - 2. část BIOLOGICKÉ SANAČNÍ METODY ORGANICKÉ POLUTANTY • Bioventing • Biosparging • Bioslurping • Bioaugmentace • Fytoremediace • Bioimobilizace • Biosorpce • Kompostování • Aerobní rozklad polutantů v zeminách • Kompostování • Landfarming • Kometabolismus • Přirozená atenuace • Biofiltrace ANORGANICKÉ POLUTANTY • Redukce sulfátu • Fytoremediace • Mokřady • Biosorpce • Bioimobilizace • Biostabilizace • Biologická redukce a oxidace kovů a radionuklidů • Přirozená atenuace • Biofiltrace • Denitrifikace Náprava ekologických škod - 2. část ZPŮSOB APLIKACE • IN-SITU – na místě bez těžby pevných materiálů, bez čerpání vyčerpávání podzemní vody • EX-SITU – po vytěžení pevných materiálů nebo vyčerpání podzemní vody a přemístění z kontaminované lokality • ON-SITE – po vytěžení nebo vyčerpání na kontaminované lokalitě • OFF-SITE – po vytěžení nebo vyčerpání mimo kontaminovanou lokalitu Náprava ekologických škod - 2. část BIOREMEDIACE IN-SITU • DEFINICE bioremediace in-situ : Využití přirozených nebo vnesených mikroorganismů k tomu, aby transformovaly, rozložily nebo imobilizovaly polutant přítomný v saturované či nesaturované zóně • CÍL: Odstranit nebezpečné vlastnosti polutantu(ů) tak, aby vzniklé látky již nepůsobily nebezpečí pro lidské zdraví a životní prostředí Náprava ekologických škod - 2. část OBECNÉ SCHÉMA REMEDIACE IN SITU Náprava ekologických škod - 2. část OPTIMÁLNÍ PODMÍNKY Náprava ekologických škod - 2. část BIOVENTING • Princip metody: do nesaturované zóny zapravit dostatek kyslíku pro biologický rozklad polutantů. Účelem není využívat fyzikálních a fyzikálněchemických proincipů k odstraňování těkavých polutantů jako je to při ventingu (odsávání půdního vzduchu). • Podstatně menší náklady na odstranění jednotkového množství znečištění ve srovnání s ventingem. Náprava ekologických škod - 2. část BIOVENTING Náprava ekologických škod - 2. část BIOVENTING • Většinou se půdní vzduch extrahuje, nikoli vtláčí • Rychlost vtláčení vzduchu je pomalá, většinou se vtláčí přetržitě. Rychlost vtláčení se určuje podle rychlosti spotřeby kyslíku bakteriemi. • Respirační test slouží ke zjištění rychlosti spotřeby kyslíku bakteriemi (10 mg.kg- 1.d-1) a podle jeho výsledků se navrhuje sanační systém. Náprava ekologických škod - 2. část BIOVENTING • Stanovení průměru vlivu ventingového vrtu vzdálenost vrtů od sebe a jejich počet v kontaminované ploše. • Ošetření extrahovaného půdního vzduchu například biofiltrací či katalytickou oxidací (podle koncentrace znečištění v půdním vzduchu) Náprava ekologických škod - 2. část BIOVENTING • Alternativou bioventingu je venting (odsávání půdního vzduchu) – vše je založeno na fyzikálněchemických principech Náprava ekologických škod - 2. část BIOSPARGING Náprava ekologických škod - 2. část BIOSPARGING Náprava ekologických škod - 2. část BIOSPARGING • Pilotní test: - průměr vlivu air spargingového vrtu, - rychlost spotřeby kyslíku v podzemní vodě (výpočet biodegradační rychlosti) Náprava ekologických škod - 2. část • Alternativa biospargingu je Air Sparging – fyzikálněchemická metoda spojuje stripping podzemní vody s podporou biologické degradace v nesaturované zóně BIOSPARGING Náprava ekologických škod - 2. část PŮDNÍ BIOREAKTOR Půdní bioreaktor Náprava ekologických škod - 2. část BIOSLURPING Náprava ekologických škod - 2. část BIOSLURPING Náprava ekologických škod - 2. část EX SITU BIOREMEDIATION Odtěžení kontaminovaného materiálu Doprava vytěženého materiálu Na dekontaminační plochu Uložení na dekontaminační ploše Třídění, drcení, inokulace + Přehazování Vzorkování = Řízení procesu + dodávka vody, makrobiotických prvků, Reinokulace, kontrola eliminace polutantů= Náprava ekologických škod - 2. část EX SITU BIOREMEDIATION BIOPILE Náprava ekologických škod - 2. část Náprava ekologických škod - 2. část LANDFARMING • Nejjednodušší metoda, nejlevnější. Provádí se i na nezabezpečených plochách. • Využívá se v Austrálii, USA, Brazílii a některých dalších zemích zejména pro úpravu a snižování obsahu ropných látek v kalech z těžby ropy. Náprava ekologických škod - 2. část LANDFARMING Náprava ekologických škod - 2. část BIOIMOBILIZACE, BIOSTABILIZACE • Bioimobilizace: nejprve biotransformace těžko odbouratelné molekuly (PAU, chlorované a halogenované pesticidy, některé výbušniny). Hlavním cílem biotransformace je změnit polaritu molekuly (například reduktivní dehalogenací a vnesením hydroxylových skupin) • Funkční skupiny umožňují mnohem pevnější vazby například do huminových látek a vytvoření komplexních molekul bez negativních účinků na životní prostředí. Vazba je ireverzibilní Náprava ekologických škod - 2. část BIOIMOBILIZACE BIOTRANSFORMACE Následovaná sorpcí například do huminových látek Náprava ekologických škod - 2. část BIOSTABILIZACE • Biostabilizace: Převod například rozpustných solí na nerozpustné redukcí (oxidací) kovů či radionuklidů. Náprava ekologických škod - 2. část BIOSTABILIZACE KOVŮ i) srážení a imobilizace (srážení sulfidů) ii)redukce na nerozpustný nižší oxidační stupeň kovu iii) sorpce na mikrobiální biomasu a biopolymery iv) vazba do složek prostředí, imobilizace a snížení nebezpečnosti Náprava ekologických škod - 2. část REDUKCE A SRÁŽENÍ KOVŮ Redukce síranu na sulfid 2CH2O + SO4 2- + H+ ⇒ 2CO2 + 2H2O+HSSrážení sirníků kovů Me2+ + HS− ⇔ MeS(pevný ) + H+ Náprava ekologických škod - 2. část REDUKCE Náprava ekologických škod - 2. část REDUKCE • Shewanella oneidensis redukce UO2, • další kovy Mn, Fe, • současně redukuje i organické látky Náprava ekologických škod - 2. část REDUKCE Náprava ekologických škod - 2. část SCHEMA REDUKCE Periplasma Vnější membrána Vnitřní membrána Cytoplasma Náprava ekologických škod - 2. část STAVBA BAKTERIÁLNÍ BUŇKY Náprava ekologických škod - 2. část BIOIMOBILIZACE, BIOSTABILIZACE • Biostabilizace: Uvedení prostředí do redukčního stavu (sulfátredukující podmínky) Náprava ekologických škod - 2. část FYTOREMEDIACE Náprava ekologických škod - 2. část FYTOREMEDIACE - MOKŘADY Čištění odpadních vod komunálních ??? Náprava ekologických škod - 2. část FYTOREMEDIACE - MOKŘADY Čištění průmyslových odpadních vod v Evropě je možné celoročně!!! Náprava ekologických škod - 2. část OTÁZKY ? Náprava ekologických škod - 2. část DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST !