

BIOREMEDIÁCIÓ

Bevezető előadás



BIOTECHNOLÓGIA KÖRNYEZETI BIOTECHNOLÓGIA BIOREMEDIÁCIÓ

Biotechnológia

Biokémia Biol ógia Kémia Bio technológia Bio m érnökség Kémiai mérnökség Mérnöki tudományok

A biotechnológia fogalma

• • “biotechnologie - (

EREKY Károly

, 1917) all lines of work by which products are produced from raw materials with the aid of living things” - egy olyan munkafolyamat, melynek során keletkező terméket élő szervezetek segítségével állítjuk elő • 1961 után (Carl Göran Hedén nevéhez fűződve) úgy fogalmazták meg: „the industrial production of goods and services by processes using biological organisms, systems, and processes.” – biológiai szervezetek, rendszerek, folyamatok használatával történő ipari termelés

Ma:

EFB (= Európai Biotechnológiai Egyesület) definiciója szerint: a biokémia, mikrobiológia és mérnöki tudományok integrált alkalmazása azért, hogy a mikroorganizmusok, állati-, növényi sejttenyészetek, vagy részeik képességét használni tudjuk az iparban, mezőgazdaságban, egészségügyben, és a környezetvédelemben OECD (= Szervezet a Gazdasági Együttműködésért és Fejlesztésért) definiciója: tudományos és mérnöki alapelvek alkalmazása az anyagok biológiai ágensekkel történő „megmunkálására” termék nyerése céljából

A biotechnológia 3 ága (és színe)

• Piros biotechnológia = humán egészségügyi biotechnológia – Gyógyszerek, terápiás szerek biotechnológiai megoldásokkal történő előállítása pl. inzulin, interferon, védőoltások • Fehér biotechnológia = ipari biotechnológia – Termékek előállítása biotechnológiai módszerekkel pl. bioműanyagok, bioetanol, szerves savak, mosóporokba enzimek • Zöld biotechnológia = növényi biotechnológia – A környezeti faktorokkal szemben ellenállóbb növények létrehozása biotechnológiai módszerek segítségével Bioműanyag lökhárító

Mikroorganizmusok

• algák, baktériumok, gombák, protozoák • Fajok csoportosítása, sejtfelépítés, metabolikus folyamatok, enzimek mikrobiológia, biokémia • Egyesek szabadon élnek, mások biofilmet képeznek, vagy kevert közösség tagjai.

• Előfordulnak a természetes környezetünkben a felszíni, felszín alatti vizekben, talajban, növényeken és a rizoszférában, sőt bennünk, emberekben is, pl. a béltraktus nélkülözhetetlen segítői.

• A környezetvédelem szempontjából nagyon fontos, hogy a mikroorganizmusok jelenlétét, a konzorciumok összetételét, változását nyomon tudjuk követni.

• A biotechnológia biológiai rendszereket használó technológia • Bármely biológiai rendszer alapegysége a sejt • Vad típusú vagy genetikailag módosított sejteket illetve a sejtalkotók valamelyikét alkalmazzuk céljainktól függően

A környezet és védelme

• A természetes környezet fő elemei: Föld, víz, levegő, élővilág • A környezet fogalma azonban az ember által mesterségesen létrehozott elemeket is tartalmazza kölcsönhatás • A civilizáció terjedésének következménye az egyensúly felborulása környezet károsodása • Számos, látványos környezeti katasztrófa kellett ahhoz, hogy az ember komolyan foglalkozzon környezete védelmével • Környezetvédelem feladata: megelőzés, megszüntetés, újrahasznosítás, fejlesztés a természet egyensúlyának visszaállítása



biotechnológia

biológiai anyagok, folyamatok ipari szintű ki/felhasználása 

környezet

A bennünket körülvevő élő és élettelen világ 

környezetvédelem

környezetünk megóvása, rendbetétele ‘RRR’ ( reduce, reuse, recycle ) 

Környezeti biotechnológia

Célja

: a környezeti problémák gyors és hatékony kimutatása, megoldása biotechnológiai módszerekkel

Mivel foglalkozik

:

bioremediáció, hulladékkezelés, víztisztítás

, környezeti monitor, nyersanyag-, termék kinyerés, bioüzemanyagok

Környezeti biotechnológia

• A környezet megóvására nagyon régóta használunk bio-technológiai módszereket • Több ágra osztható: – Bioremediáció – Megelőzés – Detektálás és monitorozás – Genetikai mérnökség Utóbbi években erőteljes kutatás-fejlesztés folyik a – Bioüzemanyagok előállítása – Nyersanyag kinyerése (pl. biobányászat) terén

Miért van szükség a környezetvédelemre, a környezeti biotechnológiára?

A baj akkor kezdődött, amikor az ember többet termelt, mint amennyire szüksége volt, és az iparosodással rohamosan romlott a helyzet Fejlődő ipar felhalmozódó hulladék szintetikus anyagok Két fő probléma: - hogyan és hova helyezzük - hogyan távolítsuk el veszélyes anyagok A Föld mikroflórájának válasza az újonnan megjelenő anyagokra:

adaptáció

Környezeti szennyezések

• Szervetlen, szerves, biológiai anyagok • Gáznemű, oldott, szilárd • Talaj, víz, légszennyezők • Gyakran „öreg” szennyezésekről beszélünk, ha régóta jelen van a környezetben pl. bezárt gyárak területén, mezőgazdasági eredetű peszticid, herbicid maradványok, vagy megbújó, sokáig nem felfedezett esetek • Lehet „friss” szennyezés ipari, mezőgazdasági, kommunális tevékenységek során folyamatosan keletkeznek üzemi, kereskedelmi/transzfer balesetek során • Manapság egyre több esetben a keletkező hulladék újrahasznosítható (clean technology = tiszta technológia)

szervetlen: szerves: biológiai: légteret szennyező anyagok:

Környezeti szennyezések

fémek, radioaktív anyagok, nitrát, nitrit, foszfát, cianidok, azbeszt, stb… természetes eredetű (mezőgazd., kommunális hulladék), szintetikus (peszticidek, PAH, halogén tart-ú vegy.-k), petrokémiai (olaj származékok, BTEX), … mikroorganizmusok (patogének, vírusok…) gázok (kén-dioxid, szén-dioxid, metán, nitrogén-oxidok…) illékonyak (VOCs, CFCs) lebegő részecskék

Mikor kell foglakozni a szennyezésekkel?

• Minden esetben, de – Amennyiben a természetes lebontási, átalakítási folyamat megindul, akkor csak figyelünk (monitor) – Ha nincs, vagy nagyon lassú a természetes út, akkor kell aktívan beavatkozni • Xenobiotikumok = természetidegen vegyületek – Lebontásuk általában nehézkes • Lebontásnak ellenálló vegyületek (recalcitrant) – Lehet természetes eredetű (pl. klórmetán, fluoracetát) vagy szintetikus

példák

• Xenobiotikum vagy sem?

– Klórmetán: lebontása nem ismert illetve nagyon lassú, pedig természetben kb 5x10 9 kg/év (talaj gombák) szintetikus úton 2x10 7 kg/év – Fluoracetát: a legtoxikusabb (1  g/kg emlős letális dózis) ismert szerves vegyület, mégis 34 növényi faj (pl. Gastrolobium, Oxylobium) termeli, és találtak a természetben olyan baktériumokat, melyek bontani képesek • A lebonthatóság vizsgálatához célszerű a vegyület alapszerkezetét, funkciós csoportjait megvizsgálni, és nem feltétlen azt elemezni, hogy xenobiotikum vagy sem

Környezeti biotechnológia területei: 1. Megelőzés (tiszta technológiák fejlesztése)

• Modern világunkban korszerű, környezetbarát technológiák jelennek meg az iparban – Előnye: • kisebb a környezet terhelése, kevesebb veszélyes terméket állítunk elő, kevesebb a hulladék, toxikus melléktermék, stb.

• A cégeknek kármentesítésre kevesebbet kell költeni – Folyamatok fejlesztése pl. enzimek használata nem biológiai katalizátorok vagy korrozív vegyszerek helyett – Termék fejlesztés: pl. bioműanyagok bioüzemanyagok

2. Szennyezések kimutatása, monitorozása

• • Figyelni kell a szennyezések megjelenését, változásait. Monitorozzuk a mikrobiális aktivitást, az ökológiai hatásokat • Számos kémiai módszer létezik

In situ

monitorozásra a legmegfelelőbb megoldás bioindikátorok, biomarkerek, bioszenzorok alkalmazása

Szennyezések kimutatása, monitorozása

– A

bioindikátorok

ép szervezetek, melyek természetesen előfordulnak az adott környezetben, és a populációjukban történő változás ad információt a környezetet ért szennyezés hatásáról – A

biomarkerek

vagy molekuláris jellemvonásai, melyekre hat a szennyezés egy szervezet fiziológiai, biokémiai, – A

bioszenzorok

módosított, vagy specifikus enzimek, akár teljes (esetleg genetikailag módosított) katabolikus utak vagy aktív mikroorganizmusok, melyek a környezetben megjelenő szennyezések, toxikus anyagok korai (kvantitatív) kimutatásában játszanak fontos szerepet

Monitorozás

• A szennyezések kimutatása mellett, a kármentesítő folyamatokban résztvevő mikróbákat is figyelemmel kell kísérnünk, valamint az ökológiai hatásokat is meg kell vizsgálnunk – Mikroorganizmusok detektálása, monitorozása: gyakran alkalmazunk laborban felszaporított mikroorg-kat (bioaugmentáció), melyek (különösen, ha genetikailag módosított) jelenlétének, aktivitásának nyomonkövetése fontos a hatékonyság megállapítása érdekében. Gyakran a mikróbák jelölésével segítik a detektálást – Ökológiai hatások vizsgálata: a bioremediációs eljárás alkalmazható-e az adott környezetben, a technológia lépései, és a keletkező intermedierek nem veszélyesek e az ökoszisztémára, az alkalmazandó mikróba nem termel-e a növények, a környezet számára toxikus anyagokat

Genetikai mérnökség

• A különböző szervezetek genomjának feltérképezése kapcsán olyan lehetőségek birtokába jutottunk, melyet felhasználva pl. környezeti hatásoknak ellenálló növényeket, aktívabb mikroorganizmusokat stb. tudunk létrehozni. Ennek többek között előnye, hogy kevesebb vegyszert kell használnunk, rövidebb idő alatt megy végbe a bioremediáció…

„Szuperbaci” létrehozása

CAM plazmid „Házasság” OCT plazmid XYL plazmid „Házasság” NAH plazmid Strain A CAM/OCT plazmid Strain E Strain B Plazmid rekombináció Strain C XYL plazmid „Házasság” Strain F XYL plazmid Strain D NAH plazmid CAM= kámfor OCT=oktán XYL=xilol NAH= naftalin CAM/OCT plazmid Strain G NAH plazmid

Bioremediáció

• Remediáció = gyógyítás – A szennyezőanyagok környezet károsító hatásának csökkentése, vagy megszüntetése, a szennyezett talaj, vizek, levegő „meggyógyítása” • Bioremediáció – olyan technológiai eljárás, mely biológiai rendszereket használ a környezet megtisztítására a (toxikus) szennyezőanyagoktól. Általában mikroorganizmusokat és növényeket használunk e célra. Hatékonyságát számos környezeti tényező befolyásolja – Biodegradáció a szennyezőanyagok biológiai úton történő lebontása, mely környezetvédelmi szempontból a legmegfelelőbb megoldás, ez esetben nem marad vissza káros mellék-, vagy végtermék