BIOREMEDIATIE: KENMERKEN, SOORTEN, VOOR- EN NADELEN - BIOLOGIE - 2026

De bioremediatie is een reeks biotechnologische sanitaire voorzieningen waarbij gebruik wordt gemaakt van metabole capaciteiten van bacteriële micro-organismen, schimmels, planten en / of geïsoleerde enzymen om verontreinigingen in bodem en water te verwijderen.

Micro-organismen (bacteriën en schimmels) en sommige planten kunnen een grote verscheidenheid aan vervuilende en giftige organische verbindingen biotransformeren, totdat ze niet schadelijk of onschadelijk zijn. Ze kunnen zelfs sommige organische verbindingen biologisch afbreken tot hun eenvoudigste vormen, zoals methaan (CH ₄ ) en kooldioxide (CO ₂ ).

Figuur 1. Milieuverontreiniging door olielekkage, later behandeld met bioremediatie Bron: commons.wikimedia.org

Sommige micro-organismen en planten kunnen ook giftige chemische elementen, zoals zware metalen, extraheren of immobiliseren in het milieu (in situ). Door de giftige stof in het milieu te immobiliseren, is deze niet langer beschikbaar voor levende organismen en heeft het dus geen invloed op hen.

Daarom is het verminderen van de biologische beschikbaarheid van een giftige stof ook een vorm van bioremediatie, hoewel het niet de verwijdering van de stof uit het milieu inhoudt.

Er is momenteel een groeiende wetenschappelijke en commerciële belangstelling voor het ontwikkelen van economische en milieuvriendelijke (of 'milieuvriendelijke') technologieën, zoals bioremediatie van oppervlakte- en grondwater, slib en vervuilde bodems.

Kenmerken van bioremediatie

Verontreinigingen die kunnen worden gemanipuleerd

Onder de verontreinigende stoffen die zijn biologisch gesaneerd, zijn onder meer zware metalen, radioactieve stoffen, giftige organische verontreinigende stoffen, explosieve stoffen, organische verbindingen afgeleid van olie (polyaromatische koolwaterstoffen of HPA's), fenolen.

Fysisch-chemische omstandigheden tijdens bioremediatie

Omdat bioremediatieprocessen afhangen van de activiteit van micro-organismen en levende planten of hun geïsoleerde enzymen, moeten de juiste fysisch-chemische condities worden gehandhaafd voor elk organisme of enzymsysteem om hun metabolische activiteit in het bioremediatieproces te optimaliseren.

Factoren die tijdens het bioremediatieproces moeten worden geoptimaliseerd en gehandhaafd

-De concentratie en biologische beschikbaarheid van de verontreinigende stof onder omgevingsomstandigheden: aangezien het te hoog kan zijn, kan het schadelijk zijn voor dezelfde micro-organismen die ze kunnen biotransformeren.

-Vochtigheid: de beschikbaarheid van water is essentieel voor levende organismen, evenals voor de enzymatische activiteit van celvrije biologische katalysatoren. In het algemeen moet een relatieve vochtigheid van 12 tot 25% worden gehandhaafd in bodems die bioremediatie ondergaan.

-Temperatuur: deze moet in het bereik liggen dat de overleving van de toegepaste organismen en / of de vereiste enzymatische activiteit toelaat.

-De biologisch beschikbare voedingsstoffen: essentieel voor de groei en vermenigvuldiging van de micro-organismen van belang. Hoofdzakelijk moeten koolstof, fosfor en stikstof worden gecontroleerd, evenals enkele essentiële mineralen.

-De zuurgraad of alkaliteit van het waterige medium of de pH (meting van H ⁺ -ionen in het medium).

-Beschikbaarheid van zuurstof: bij de meeste bioremediatie-technieken worden aërobe micro-organismen gebruikt (bijvoorbeeld bij compostering, biopiles en “landfarming”) en is beluchting van het substraat noodzakelijk. Anaërobe micro-organismen kunnen echter worden gebruikt in bioremediatieprocessen, onder zeer gecontroleerde omstandigheden in het laboratorium (met behulp van bioreactoren).

Soorten bioremediatie

Onder de toegepaste biotechnologieën voor bioremediatie zijn de volgende:

Biostimulatie

Biostimulatie bestaat uit in situ stimulatie van die micro-organismen die al in het milieu aanwezig waren en die verontreinigd waren (autochtone micro-organismen), die in staat zijn om de verontreinigende stof te bioremediëren.

In situ biostimulatie wordt bereikt door het optimaliseren van de fysisch-chemische omstandigheden voor het gewenste proces, dat wil zeggen; o.a. pH, zuurstof, vochtigheid, temperatuur en het toevoegen van de nodige voedingsstoffen.

Bioaugmentatie

Bioaugmentatie houdt in dat de hoeveelheid micro-organismen van belang (bij voorkeur autochtoon) wordt verhoogd, dankzij de toevoeging van hun inocula die in het laboratorium zijn gekweekt.

Vervolgens, zodra de micro-organismen van belang in situ zijn geïnoculeerd, moeten de fysisch-chemische omstandigheden worden geoptimaliseerd (zoals bij biostimulatie) om de afbrekende activiteit van de micro-organismen te bevorderen.

Voor de toepassing van bioaugmentatie moet rekening worden gehouden met de kosten van microbiële kweek in bioreactoren in het laboratorium.

Zowel biostimulatie als bioaugmentatie kunnen worden gecombineerd met alle andere biotechnologieën die hieronder worden beschreven.

Composteren

Compostering bestaat uit het mengen van het verontreinigde materiaal met niet-verontreinigde grond aangevuld met plant- of dierveredelingsmiddelen en nutriënten. Dit mengsel vormt kegels tot 3 m hoog, uit elkaar geplaatst.

De oxygenatie van de onderste lagen van de kegels moet worden gecontroleerd door ze regelmatig met machines van de ene plaats naar de andere te verwijderen. Optimale omstandigheden van onder andere vochtigheid, temperatuur, pH, voedingsstoffen moeten ook worden gehandhaafd.

Biopiles

De bioremediatie-techniek met biopiles is dezelfde als de hierboven beschreven composteringstechniek, met uitzondering van:

• De afwezigheid van kweekmiddelen van plantaardige of dierlijke oorsprong.
• Eliminatie van beluchting door beweging van de ene site naar de andere.

De biopiles blijven op dezelfde plaats gefixeerd en worden in hun interne lagen belucht via een leidingsysteem, waarvan de installatie-, bedienings- en onderhoudskosten vanaf de ontwerpfase van het systeem in aanmerking moeten worden genomen.

Landfarming

De biotechnologie genaamd "landfarming" (vertaald vanuit het Engels: landbewerking), bestaat uit het mengen van het verontreinigde materiaal (modder of sediment) met de eerste 30 cm niet-verontreinigde grond van een groot gebied.

In die eerste centimeters grond wordt de afbraak van vervuilende stoffen bevorderd door beluchting en menging. Voor deze taken worden landbouwmachines gebruikt, zoals ploegtrekkers.

Het grootste nadeel van landfarming is dat er noodzakelijkerwijs grote stukken land voor nodig zijn die voor voedselproductie kunnen worden gebruikt.

Fytoremediatie

Fytoremediatie, ook wel micro-organisme en plant-assisted bioremediatie genoemd, is een set van biotechnologieën gebaseerd op het gebruik van planten en micro-organismen om de toxiciteit van vervuilende stoffen in oppervlakte- of ondergronds water, slib en bodems te verwijderen, te beperken of te verminderen.

Tijdens fytoremediatie kan afbraak, extractie en / of stabilisatie (afname in biologische beschikbaarheid) van de contaminant optreden. Deze processen zijn afhankelijk van de interacties tussen planten en micro-organismen die heel dicht bij hun wortels leven, in een gebied dat de rhizosfeer wordt genoemd.

Figuur 2. Bioremediatie van water dat is verontreinigd met planten en micro-organismen. Bron: Wikyhelper, van Wikimedia Commons

Fytoremediatie is vooral succesvol geweest bij het verwijderen van zware metalen en radioactieve stoffen uit de bodem en het oppervlakte- of grondwater (of rhizofiltratie van verontreinigd water).

In dit geval verzamelen de planten de metalen uit de omgeving in hun weefsels en worden ze vervolgens onder gecontroleerde omstandigheden geoogst en verbrand, zodat de vervuilende stof niet meer in de omgeving wordt verspreid, maar wordt geconcentreerd in de vorm van as.

De verkregen as kan worden behandeld om het metaal terug te winnen (als dit van economisch belang is), of kan worden achtergelaten op plaatsen waar het afval definitief wordt verwijderd.

Een nadeel van fytoremediatie is het gebrek aan diepgaande kennis van de interacties die optreden tussen de betrokken organismen (planten, bacteriën en mogelijk mycorrhiza-schimmels).

Aan de andere kant moeten omgevingsomstandigheden worden gehandhaafd die voldoen aan de behoeften van alle toegepaste organismen.

Bioreactoren

Bioreactoren zijn containers van aanzienlijke afmetingen, die het mogelijk maken om zeer gecontroleerde fysisch-chemische omstandigheden in waterige kweekmedia te handhaven, met als doel een biologisch proces van belang te bevorderen.

Bacteriële micro-organismen en schimmels kunnen op grote schaal in het laboratorium in bioreactoren worden gekweekt en vervolgens in in situ bioaugmentatieprocessen worden toegepast. Micro-organismen kunnen ook worden gekweekt met het oog op het verkrijgen van hun verontreinigende en afbrekende enzymen.

Bioreactoren worden gebruikt in ex situ bioremediatieprocessen, door het verontreinigde substraat te mengen met het microbiële kweekmedium, wat de afbraak van de verontreiniging bevordert.

Micro-organismen die in bioreactoren worden gekweekt, kunnen zelfs anaëroob zijn, in welk geval het waterige kweekmedium geen opgeloste zuurstof moet bevatten.

Figuur 3. Bioreactor. Bron: es.m.wikipedia.org

Bij de biotechnologieën voor bioremediatie is het gebruik van bioreactoren relatief duur vanwege het onderhoud van apparatuur en de vereisten voor microbiële kweek.

Microremediatie

Het gebruik van schimmelmicro-organismen (microscopisch kleine schimmels) bij bioremediatieprocessen van een giftige verontreinigende stof wordt mycorremediatie genoemd.

Er moet rekening mee worden gehouden dat de kweek van microscopisch kleine schimmels meestal complexer is dan die van bacteriën en daarom hogere kosten met zich meebrengt. Bovendien groeien en reproduceren schimmels langzamer dan bacteriën, waarbij door schimmels ondersteunde bioremediatie een langzamer proces is.

Bioremediatie versus conventionele fysische en chemische technologieën

-Voordeel

Biotechnologieën voor biologische sanering zijn veel zuiniger en milieuvriendelijker dan conventioneel toegepaste chemische en fysische milieusaneringstechnologieën.

Dit betekent dat de toepassing van bioremediatie een lagere milieu-impact heeft dan conventionele fysisch-chemische praktijken.

Aan de andere kant, van de micro-organismen die worden toegepast in bioremediatieprocessen, kunnen sommigen zelfs de vervuilende verbindingen mineraliseren, waardoor ze uit het milieu verdwijnen, iets wat moeilijk te bereiken is in een enkele stap met conventionele fysisch-chemische processen.

-Nadelen en aspecten om rekening mee te houden

Microbiële metabole capaciteiten die in de natuur bestaan

Aangezien slechts 1% van de micro-organismen die in de natuur bestaan, is geïsoleerd, is een beperking van bioremediatie juist de identificatie van micro-organismen die in staat zijn een specifieke verontreinigende stof biologisch af te breken.

Gebrek aan kennis van het toegepaste systeem

Aan de andere kant werkt bioremediatie met een complex systeem van twee of meer levende organismen, dat over het algemeen niet volledig wordt begrepen.

Sommige micro-organismen die zijn bestudeerd, hebben vervuilende verbindingen gebiotransformeerd tot nog meer giftige bijproducten. Om deze reden is het noodzakelijk om bioremediatie-organismen en hun interacties vooraf diepgaand in het laboratorium te bestuderen.

Bovendien moeten kleinschalige pilootproeven (in het veld) worden uitgevoerd voordat ze massaal worden toegepast, en tot slot moeten de bioremediatieprocessen ter plaatse worden gevolgd om ervoor te zorgen dat de milieusanering correct verloopt.

Extrapolatie van in het laboratorium verkregen resultaten

Vanwege de hoge complexiteit van biologische systemen kunnen resultaten die op kleine schaal in het laboratorium worden verkregen, niet altijd worden geëxtrapoleerd naar veldprocessen.

Bijzonderheden van elk bioremediatieproces

Elk bioremediatieproces omvat een specifiek experimenteel ontwerp, afhankelijk van de specifieke omstandigheden van de verontreinigde locatie, het type te behandelen verontreiniging en de toe te passen organismen.

Het is dan nodig dat deze processen worden aangestuurd door interdisciplinaire groepen van specialisten, onder wie biologen, chemici, ingenieurs, onder anderen.

Het in stand houden van de fysisch-chemische omgevingsfactoren om de gewenste groei en metabolische activiteit te bevorderen, impliceert een permanent werk tijdens het bioremediatieproces.

Vereiste tijd

Ten slotte kunnen bioremediatieprocessen langer duren dan conventionele fysisch-chemische processen.

Referenties

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Bioremediatie van met afgewerkte olie verontreinigde bodems met pluimveemest. Research Journal in Engineering and Applied Sciences3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Bioremediatie, biostimulatie en bioaugmentatie: een overzicht". Internation Journal of Environmental Bioremediation and Biodegredation. 3 (1): 28-39.
3. Boopathy, R. (2000). "Factoren die bioremediatie-technologieën beperken". Bioresource-technologie. 74: 63-7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY en Schoeder, D. (1999). Principes van Biorecovery. McGraw-Hill Interamericana van Spanje, Madrid. blz 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA en Brock, T. (2015). Brockbiologie van micro-organismen. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
6. McKinney, RE (2004). Milieuverontreiniging Microbiologie. M. Dekker. blz 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Fytoremediatie. Annu. Rev. Plant Biol.56: 15-39.