Transcript 3.óra anyaga

Bioremediáció körülményei
Biodegradáció feltételei
• Legyen az organizmusnak a biodegradációhoz szükséges enzime(i).
De csupán az enzimkészlet megléte még nem jelenti azt, hogy a
biodegradáció megtörténik
• az organizmusnak a vegyületet tartalmazó környezetben jelen kell
lennie
• A szükséges enzimekkel rendelkező organzimus számára
hozzáférhető kell legyen a vegyület (pl. nem hozzáférhető, ha
különböző mikrokörnyezetben vannak – vízben nem elegyedő
oldószerben, vagy szilárd felszínhez kötötten, stb)
• Ha a támadást/átalakítást indító enzim extracelluláris, az enzimnek
hozzá kell férnie a kötéshez, aminek átalakítását katalizálja
• Ha intracelluláris az enzim, akkor a molekulának át kell jutnia a
sejt falán és a membránon
• A környezeti feltételeknek megfelelőnek kell lenni a mikroba
szaporodásához, aktivitásához
Környezeti faktorok
• Számos fizikai, kémiai, biológiai tényező hatással van a mikrobák
szaporodására, aktivitására, létezésére, ezáltal befolyásolják a
szervesanyagok mikrobiális lebontását
• Mielőtt nekifognánk a kármentesítésnek, szükséges előkísérleteket
végezni, melyet laboratóriumban lehet kivitelezni. A labor tesztek
alapján kiválasztott, laboratóriumi körülmények között nevelt
tiszta kultúra kijuttatása az adott környezetbe rengeteg akadály
legyőzését igényli.
• Ismerni kell azokat a faktorokat, melyek befolyásolják a
biodegradáció menetét, és meg is kell értenünk azok hatását, hogy
pozitív irányba tudjuk ezáltal elmozdítani a folyamatot.
Környezeti (abiotikus) faktorok
• Minden mikroorg törzsnek van egy tolerancia tartománya az ökológiailag
fontos faktorokra (pl. hőm, pH, sókonc.), egyeseknek nagyobb másoknak
kisebb. Egy adott környezet számos fajt tartalmaz, melyek egy bizonyos
biotranszformációban részt vesznek, ezek tolerancia tartománya gyakran
szélesebb, mint az egyedi fajoknak. A tartományon kívül eső
körülmények között mikrobiális aktivitás nem lesz tapasztalható
• A tápanyag igény mellett a legfontosabb faktorok, melyek hatással
vannak a mikrobiális transzformációra a hőmérséklet, pH,
nedvességtartalom (talaj esetén), bizonyos esetekben sóktartalom, toxinok
jelenléte, hidrosztatikus nyomás (mélytengeri üledék esetén, vagy a talaj
mélyebb rétegeiben)
• Egy szerves szennyezőanyag egy adott környezetben gyorsan lebomlik,
míg egy másik helyen perzisztensen jelen lehet
Környezeti faktorok
• Közeg:
talajszerkezet, -típus, porozitás, permeabilitás,
nedvességtartalom, táp-,ásványianyag tart.,
oxidációs/redukciós potenciál
• Szennyezőanyag: összetétel, oldékonyság, illékonyság,
viszkozitás, toxicitás
• Hőmérséklet: biológiai aktivitás hőmérsékletfüggő
• pH:
hozzáférhetőséget befolyásolja
• H2O:
szállítóközeg
- túl magas víztart. gátolja az oxigén talajba jutását
- túl alacsony nedvességtartalom a mikrobák
aktivitását, túlélését korlátozza
• Sótartalom
• Hidrosztatikus nyomás
Környezeti faktorok
• Tápanyag: a sejtek életfunkcióihoz szükséges szén, nitrogén,
foszfor, ásványi anyagok (makro-, mikroelemek),
vitaminok
Kometabolizmus esetén szerves tápanyagot
(szénforrás) is biztosítani kell
• Oxigénellátottság: a talaj mélyebb rétegeiben kevés az oxigén
ha az aerob lebontó folyamatokat akarjuk stimulálni:
levegőbefúvatás, talajforgatás, szellőztetéssel,
vagy: H2O2 befecskendezés, nitrát, szulfát utánpótlás
Egyéb faktorok
• Időigény
Meghatározó faktorok:
- jelenlevő veszélyes vegyületek típusa és mennyisége
- szennyezett terület mérete: kiterjedés, mélység
- talaj típusa, állapota
- tisztítási folyamat talaj felszínen vagy alatta zajlik
• Anyagi lehetőségek
hőmérséklet
• A talajfelszín vagy vízfelszín közeli szennyezések esetén
megfigyelhető, hogy télen vagy északon az állandóan hideg
éghajlaton a szerves szennyezőanyagok biodegradációja
rendkívül lassú, vagy nem történik meg (vannak kivételek,
egyes mikroorganizmusok hidegtűrők/kedvelők)
• Gyakran ingadozás figyelhető meg a biodegr-ban, ami a
hőmérséklet vált. következménye. Ez nem mindig egyértelmű,
néha más faktorok befolyásolják ezt.
– Példa: egy folyóban a 2,4-D egy észterének lebontása a téli
hónapokban növekedést mutatott, amit a falevelek hullásával hoztak
összefüggésbe. A vízbe hulló levelek felülete bőséges helyet biztosít a
mikrobiális kolonizációnak, ez a megnövekedett biomassza
kompenzálja az hidegebb víz miatt kialakult rosszabb feltételeket
• Az adott hőmérséklet befolyásolja az elbontandó anyag
hozzáférhetőségét
Környezeti faktorok a mikróbák
szempontjából
1. Hőmérséklet
kémhatás
• Az extrém savasság/lúgosság az biodegr. aktivitást rontja,
enyhe pH körülmények között a biodegr. maximális sebességel
működhet
• Ha egy vegyületet az adott körny-ben több mikroba is képes
bontani, akkor a biodegradáció pH tartománya ált. szélesebb,
mint akkor ha csak egy faj képes bontani azt.
• Adalékanyagokkal a pH eltolható az adott környezetben (pl.
mész adagolásával, ha savas karakterű a szennyezés)
• Az adott kémhatás befolyásolja az elbontandó anyag
hozzáférhetőségét
Környezeti faktorok a mikróbák
szempontjából
Szaporodási mértéke
2. kémhatás
acidofilek
pH=7,0
alkalifilek
nedvességtartalom
• A metabolikusan aktív mikrobák szaporodásához,
aktivitásához megfelelő nedvesség tartalomra van szükség. Ez
a faktor a vízi környezetben nyilvánvalóan nem limitáló
tényező
• Az optimum szint függ a talaj tulajdonságaitól, a bontandó
vegyülettől, és az oxigénigénytől (aerob/anaerob)
• A túl sok víz kiszorítja a levegőt a talaj pórusaiból, így a
víztelített talaj hamar anaerobbá válik, ami nem kedvez az
aerob folyamatoknak
• Csökkent nedvességtartalom a degradáció mértékét rontja
Sótartalom
• A fiziológiás állapot feletti koncentrációban ártalmas a legtöbb
sejt számára (kivétel tengeri organizmusok)
• A talaj- és belvizek bizonyos területeken igen sógazdagok, mely a
mikrobiális folyamatokat gátolja
Hidrosztatikus nyomás
• Az olaj egyes komponensei, és más szennyezők,
melyeknek specifikus gravitációjuk nagyobb, mint a
tengervízé, lesüllyednek a mély tengerfenéki zónába,
ahol a hidrosztatikus nyomás nagy, sőt gyakran
alacsony a hőmérséklet, ami lassú degradációt,
perzisztens jelenlétet eredményez
• Vannak mikroorganizmusok, melyek a tengerek
mélyén élnek, és csak megfelelő nyomás mellett
képesek élni
Környezeti faktorok a mikróbák
szempontjából
3. Sókoncentráció
Forrás: A. Scragg Environmental
Biotechnology (2005)
Elektronakceptor
• Számos vegyület esetén a preferált elektronakceptor az O2,
ekkor a folyamatok csak aerob körülmények között mennek
gyorsan végbe. Aerob szénhidrogén bontás esetén az oxigén
gyorsan elfogy, mert az oxigén diffúzió gátolt, ekkor pótolni
kell esetleg H2O2 is adható
• Azonban sok komponens lebontása nem függ az oxigéntől,
anaerob konverzió esetén. Ez csak oxigénmentes környezetben
zajlik, ekkor az elektronakceptor lehet egy szerves molekula,
vagy nitrát, szulfát, CO2, Fe(III). Ha elfogy a körny-ből a
biokonverzió leáll.
Környezeti faktorok a mikróbák
szempontjából
4. Oxigén
Forrás: A. Scragg - Environmental Biotechnology (2005)
Környezeti faktorok
• Számos környezeti faktor módosítása lehetetlen/ nem
gazdaságos, de azért foglalkozunk velük, mert hatásuk a
folyamatokra, annak megértése más vegyületek lebontásának
megtervezésében nagy szerepet játszik
• Amennyiben bizonyos faktorok létfontosságúak a
biodegradáció szempontjából, de az adott környezetben nem
módosíthatóak, ekkor szükséges a bioreaktorok alkalmazása,
melyben a biológiai aktivitás szigorú kontroll mellett zajlik
Mikrobiológiai szempontok
• A jelenlévő természetes mikroba populáció
• Konzorciumok esetén az összeférhetőséget vizsgálni kell
egymással és az alkalmazás helyével
• Biofilm képződés: lehet jó, lehet hátrányos
• A bioremediációban szerepet játszó mikroorganizmusok élettani,
biokémiai tulajdonságai
• A mikrobiális aktivitás valós hatásfoka (ami laborban jó, működike az eredeti körny-ben)
• A laboratóriumi kísérletek az adott területen felhasználhatóak-e
• A keletkező metabolitok hatása a mikrobákra, az enzimekre
Mikrobiológiai szempontok
• Környezeti faktorok
• A szennyezés összetettsége
• A szennyezés kora – talajmátrixhoz kötött anyagok nehezen
hozzáférhetők
• A bioremed-ban résztvevő komponensek mobilitása
(szennyezőanyagok, a keletk metabolitok, és a szükséges
tápanyagok)
• Oxigén hiányában alkalmazhatók-e alternatív
elektronakceptorok (nitrát, szulfát, karbonát, klorid, Fe(III)…)
Mikrobiológiai szempontok
tápanyagigény
• A heterotróf szervezeteknek a szervesanyagok (ami szén- és
energiaforrás) mellett egyéb tápanyagokra és elektronakceptorra
van szükségük
• Az elektronakceptor az O2 az aerobok esetén, de lehet nitrát,
szulfát, CO2, Fe(III), sőt bizonyos mikrobák szervesanyagokat is
használhatnak az energiaforrás oxidációja során felszabaduló
elektronok fogadására
• Sok baktérium, gomba igényel alacsony konc-ban un. növekedési
faktorokat pl. aminosavakat, B vitaminokat, zsíroldékony
vitaminokat, egyéb szerves molekulákat
• Ezek hiánya miatt a mikrobák nem szaporodnak, így a hatékony
bioremediáció is elmarad
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• A metabolizálható, hozzáférhető szervesanyagok mennyisége a
körny-ben ált kevés, ezért legtöbb esetben a C forrás az
anyagcsere, mikroba szaporodás, bioremediáció limitáló tényezője
• Előfordulhat, hogy a C forrás hasznosítható, és megfelelő
mennyiségben jelen van, ekkor az egyéb tápanyagok lesznek
limitálóak. Ilyen esetekben kell ezeket pótolni (biostimuláció)
• A K, S, Mg, Ca, Fe, mikroelemek legtöbbször megfelelő
mennyiségben vannak jelen a körny-ben
• Olajszennyezések esetén a hidrofób-hidrofil határfelületen kevés az
O2 és a szervetlen tápanyag. Ha vízoldékony tápanyagot juttatunk a
vizes közegbe (pl tenger), az gyorsan szétdiffundál. Ezért
célszerűen oleofil készítményeket fejlesztettek (a P-t oktil-foszfát,
decil-foszfát, a N-t paraffinizált urea és dodecil-urea formában).
Ezek előnye, hogy a rendszerbe kerülve az olajos fázishoz
kapcsolódnak, és itt a szénhidrogén bontó mikrobák is hozzáférnek.
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• Ha elfogy a N és P tápanyag, ennek ellenére lassú biodegradációt
megfigyelhetünk, oka valósz, az elpusztult mikrobákból
felszabaduló utánpótlás
• Fontos a C:N:P (100:5-10:1-2) arány a sejtek megfelelő
működéséhez, ezt az arányt kell beállítani a tápanyag pótlás esetén,
hogy teljes degradációt érjünk el.
• Előfordulhat, hogy egyéb (abiotikus) tényezők miatt magasabb
konc. tűnik optimálisnak a biodegr-hoz, ekkor valósz, hogy
kationok hatására kicsapódik a foszfát (nem lesz hozzáférhető),
melyet a pH is befolyásol
• A növekedési faktorok kevesebb figyelmet kaptak eddig (ennek
lehet részben az oka, hogy ezek alkalmazása drágítja a technol-t).
Konzorciumok esetén nem mindig nyilvánvaló a hiányuk.
Jelentőségük lehet pl. abban is, hogy a szénforrás küszöb konc-ját
módosítja (a küszöb konc alatt nem indul el a biodegr)
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• A természetben, különösen a szennyezett területeken rengeteg
szervesanyagot találunk, melyeket egy vagy több benszülött
mikroorganizmus hasznosít. Ezek a komponensek sok esetben
szintetikus vegyületek, összetett anyagok, melyek a talaj
huminanyagaihoz kapcsolódhatnak.
• Koncentrációjuk lehet magas vagy alacsony, szintjük elérheti a
toxikus konc-t, vagy olyan kevés, hogy nem elegendő a
szaporodáshoz.
• Várhatóan a jelenlévő, esetleg összedolgozó mikrobák és
komponensek esetén más biodegradációs folyamatot figyelhetünk
meg, mint egyedi fajjal egyedi komponens esetén. Amikor több
mikroba faj együttesen „dolgozik”, akkor az egyes fajok
aktivitását befolyásolja a másik által termelt metabolit, vagy egyéb
komponens
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• Gyakran megfigyelhető, hogy egy komponens
biodegradációját egy másik komponens pozitívan v negatívan
befolyásolja
• A negatív hatásoknak több oka lehet:
– Toxikus a második komponens
– A keletkező termék gátolja a másik szubsztrát metabolizmusát
– Nem is a szubsztrátok gátolnak, hanem tápanyag (P, N) vagy
elektronakceptor limitáció lép fel a párhuzamos folyamatok
miatt
– Nem a szubsztrát gátol, hanem hirtelen megnő a mikroorg
szám, amit észrevesznek a predátorok (pl.protozoák), gyorsan
lecsökkentik a mikroba számot
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• A környezetben a baktériumok és gombák mellett
predátorok, paraziták is megtalálhatók. Ezek
gyakran felfalják a baktériumokat (vagy
élősködnek azokon), ezáltal vetik vissza a
Forrás: National Science &
biodegradáció hatékonyságát
Technology Center. Denver, Colorado
• A protozoák viszont csak akkor aktivizálódnak, ha a baktérium
szám eléri a 106-107 sejt/ml sejtsűrűséget, ekkor támadnak, és a
sejtszám lecsökken 103-104 sejt/ml-re. A biodegradáció
szempontjából az a baj, hogy nem szelektíven egy-egy fajra nézve
érzékelik a predátorok a sejtszámot.
• Mindemellett ugyanazokat a tápanyagokat igényli, így ebben is
hatással van a baktérium populációra
• Ám az anyagcsere során kibocsát tápanyagokat a predátor is,
melyet a túlélő baktériumok hasznosítani tudnak, így amíg el nem
érik a kritikus koncetrációt ismét jól érezhetik magukat, aktív
anyagcseréjük során felhasználva a szervesanyagokat
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• A biodegradációhoz gyakran több faj együttműködése
szükséges. A biodegradáció több lépcsős folyamat, és a
természetben gyakran találkozunk konzorciumokkal, melyek
tagjai a folyamat egy-egy lépésében vesznek csak részt, de
együttműködésük hiányában nem vagy csak nagyon lassan
menne végbe a lebontás. Ez az együttműködés szinergizmus.
• Szinergisztikus összefüggések
– Egy v több faj más faj(ok) számára fontos növekedési faktorokat (pl. B
vitaminok, aminosavak) termel
– Egyik faj részlegesen bontja (szén- és energiaforrásként hasznosítja) az
adott szervesanyagot, a keletkező intermedier(eke)t más fajok bontják
tovább (egyébként felhalm)
– Egyik faj kometabolizmus során átalakítja az adott szervesanyagot, a
keletkező intermediert más faj(ok) bontják tovább (egyébként felhalm)
Mikrobiológiai szempontok
limitáló tényezők
• A rhizoszférában a biodegradáció legtöbb esetben gyorsabb,
mint a gyökérzónától távolabb eső régióban
• A növények folyamatosan kibocsájtanak szervesanyagokat,
melyek a rhizoszférában élő mikroorganizmusok számára
hasznos tápanyagforrás
Összegzés
• Mivel gyakran a mikroorganizmusok a fő- vagy
egyetlen okai egy anyag degradációjának, így
hiányuk vagy „működésképtelenségük” az adott
környezetben ezen anyag perzisztenciáját vagy
nagyon lassú eltűnését jelenti
• A mikrobák hatékony működéséhez számos
paraméternek megfelelőnek kell lennie
(környezeti paraméterek, hozzáférhetőség)