biotechnologia


 
 

Bioremediacja - biotechnologia w ochronie środowiska

bioremediacjaW dzisiejszych czasach zanieczyszczenie środowiska węglowodorami stanowi bardzo istotny problem. Postęp cywilizacyjny i narastające skażenie środowiska zmusza do szukania nowych, czasem niekonwencjonalnych alternatywnych metod walki z zanieczyszczeniem. Jednym ze sposobów walki z tymi toksynami jest bioremediacja. Należy tu wspomnieć, że pierwszy mikroorganizm zdolny do rozkładu parafiny odkrył Miyoshii 1895 r. Była to Botrytis cinerea (szara pleśń). Termin ten po raz pierwszy został użyty w 1972 r., zaś sam proces opracował J.M. Robinson w 1960 r., jednak nie został wprowadzony w życie.

Dzisiaj poprzez termin bioremediacja rozumie się technologie usuwania zanieczyszczeń (głównie substancji ropopochodnych) z gleby i wód podziemnych za pomocą żywych mikroorganizmów w celu katalizowania, destrukcji lub transformacji różnego rodzaju zanieczyszczeń w formy mniej szkodliwe. Znamy kilka technologii bioremediacyjnych, a możemy do nich zaliczyć:

- bioremediację podstawową - wykorzystanie naturalnej mikroflory skażonego gruntu oraz monitoring zachodzących procesów;
- biostymulację - stymulacja mikroflory poprzez modyfikację warunków środowiskowych;
- bioaugmentację - wprowadzenie dodatkowych mikroorganizmów w przypadku gdy rodzima populacja nie wykazuje pożądanej aktywności w kierunku biodegradacji zanieczyszczeń.

Dzisiaj wszystkie te technologie znalazły zastosowanie m.in. do usuwania metali ciężkich z wody i gleby, ługowania metali z rud oraz odpadów stałych, płynnych i gazowych, usuwania substancji ropopochodnych z gleb oraz do usuwania związków biogennych z wód i ścieków.

Wykorzystywane są mikroorganizmy występujące naturalnie w środowisku. Właściwości degradacyjne posiadają bakterie, grzyby i drożdże dla których naturalnym środowiskiem życia jest gleba. Posiadają one zdolności do wykorzystywania związków ropopochodnych jako jedynego źródła węgla w przemianach metabolicznych. Są to np. n-alkany, alkany rozgałęzione cykliczne alkany, węglowodory aromatyczne, policykliczne węglowodory aromatyczne. Mikroorganizmy degradują je zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych. Ze względu na prostą budowę łańcucha najłatwiej rozkładane są n-alkany, najtrudniej zaś policykliczne węglowodory aromatyczne. W ten sam sposób zmienia się liczebność mikroorganizmów zdolnych do ich rozkładu. Do zanieczyszczenia tymi substancjami dochodzi głównie w wyniku procesów wydobywczych ropy i jej przerobu w rafineriach oraz awarii podczas magazynowania paliw.

Niestety nie zawsze możemy oczyścić glebę metodami biologicznymi. By móc w ten sposób oczyszczać środowisko z toksyn musimy spełnić kilka warunków:
- środowisko powinno zawierać mikroorganizmy u których zachodzą wymagane procesy kataboliczne,
- mikroorganizmy powinny być zdolne do przetwarzania związków chemicznych w odpowiednim tempie,
- metabolity powstające podczas rozkładu nie mogą być toksyczne, mutagenne ani kancerogenne,
- środowisko nie może zawierać związków chemicznych działających toksycznie i inhibitująco na drobnoustroje,
- związki usuwane muszą być biodegradowalne przez bakterie,
- warunki prowadzenia procesu powinny sprzyjać rozwojowi drobnoustrojów,
- koszt technologii powinien być niewielki.

Stwierdzono także, że w środowisku skażonym produktami naftowymi szybkość rozkładu oraz liczebność drobnoustrojów zdolnych do ich degradacji stopniowo wzrasta od momentu zaistnienia skażenia. Zjawisko to wynika z selekcji drobnoustrojów polegającej na eliminacji gatunków wrażliwych na toksyczne oddziaływanie wprowadzonych związków i umożliwienie w ten sposób rozwoju drobnoustrojów wykorzystujących węglowodory jako substraty pokarmowe oraz wskutek stopniowej adaptacji mikroorganizmów do nowego substratu wzrostowego. Podstawowymi mechanizmami adaptacji jest indukcja lub de-represja specyficznych enzymów oraz zmiany genetyczne prowadzące do powstawania nowych możliwości metabolicznych. U szczepów należących do rodzaju Pseudomonas wykazano obecność plazmidów, na których zakodowana została zdolność drobnoustrojów do rozkładu naftalenu, oktanu, ksylenu i toluenu.
Efektywność procesorów bioremediacji gruntów z ropy i jej pochodnych zależy od tempa rozkładu tych zanieczyszczeń przez mikroorganizmy glebowe, na które mają wpływ takie czynniki jak:

- dostępność tlenu, ponieważ w warunkach tlenowych proces ten zachodzi efektywnie i szybko wzrasta mikrobiologiczny potencjał gleby (stężenie biomasy, różnorodność populacji, aktywność enzymów),
- budowa chemiczna,
- fizykochemiczne parametry środowiska, m.in. odczyn (bakterie do swego rozwoju preferują środowisko lekko zasadowe zaś grzyby kwaśne), przy którym bakterie giną,
- temperatura (optymalna dla wzrostu drobnoustrojów wynosi ok 40oC),
- zawartość materii organicznej,
- wilgotność,
- stężenie węglowodorów i ich toksyczność w stosunku do mikroflory,
- dostępność węglowodorów dla komórek mikroorganizmów.

Głównymi czynnikami środowiska wpływające na bioremediację gleb z produktów ropopochodnych są:
- pierwiastki biogenne,
- wilgotność,
- temperatura,
- pH,
- tlen,
- dostępność akceptora elektronów.

Do tej pory udało się sklasyfikować wiele bakterii zdolnych do rozkładu węglowodorów. Oto przykłady niektórych z nich:
- Acinetobacter sp. szczep HO1-N, bakteria zdolna do wzrostu na n-heksanie, przyswaja węglowodory poprzez zamykanie ich w błonowych mikropęcherzykach, które są następnie aktywnie transportowane do wnętrza komórki,
- Nocardia sp., zdolne do degradacji węglowodorów, tworzą zewnątrzkomórkowe struktury, takie jak pęcherzyki i tubule,
- Achromobacter sp. utlenia cząsteczki 2,2-dimetyloheptanu do kwasu 2,2-dimetyloheptanowego,
- biodegradację pristanu przeprowadzają bakterie z rodzaju Corynebacterium, Brevibacterium, Alcanivorax, Rhodococcus i Nocardia.
- szczep Rhodococcus sp. opisany przez Nakajima i in., który jest zdolny do degradacji innych izoalkanów: fytanu (2,6,10,14-tetrametyloheksadekan), norpristanu (2,6,10-trimetylopentadekan) i famesanu (2,6,10-trimetylododekan) jako jedynych źródeł węgla i energii. We wszystkich przypadkach jednostki izopropylowe są utleniane do alkoholi pierwszorzędowych i ostatecznie do odpowiednich kwasów karboksylowych.
- Mycobacterium sp. – bakteria zdolna do degradacji fytanu, norpristanu, 2,6,10-trimetylotetradekanu i 2,6,10,14-tetrametyloheptadekanu. Podczas degradacji tych związków nie obserwowano utlenienia jedynie końca izopropylowego, natomiast zawsze produktem początkowych etapów utlenienia był alkohol pierwszorzędowy.
Znane są szczepy bakterii degradujące alkany dłuższe niż C16; zwykle szczepy te zawierają kilka hydroksylaz alkanowych. Te które wykazują aktywność w stosunku do alkanów o długościach C10 –C20 zwykle są spokrewnione z hydroksylazą alkanową AlkB, np. u Pseudomonas putida Gpo1. AlkB Pseudomonas putida Gpo1. AlkB Pseudomonas putida Gpo1.

Coraz większą popularność technologia bioremediacja zawdzięcza następującym cechom:
- jest to proces naturalny, ekonomiczny (tańszy niż stosowane dotychczas metody oczyszczania wód i gruntów), - proces likwidacji skażenia może być prowadzony ,in situ (w miejscu skażenia, bez konieczności przemieszczania gruntu co prowadzi do znacznego obniżenia kosztów),
- grunt nadaje się do użytku bezpośrednio po przeprowadzeniu procesu oczyszczania gdyż zastosowanie metody nie są toksyczne przez co nie stanowią żadnego zagrożenia dla organizmów żywych,
- w procesie likwidacji skażenia nie są wytwarzane szkodliwe związki wydzielane do gruntu, wód i atmosfery ( ponieważ bakterie rozkładają składniki zanieczyszczeń do obojętnych dla środowiska dwutlenku węgla i wody),
- technologia ta nie wymaga stosowania kosztownej i skomplikowanej aparatury,
- metoda nie wymaga wprowadzenia do środowiska przyrodniczego żadnych związków chemicznych, które mogłyby wchodzić w reakcje, czy też ulegać akumulacji w glebie przez co proces ten jest przyjazny dla środowiska.

Należy jednak pamiętać, że jako jeden z procesów technologicznych posiada wady i są to:
- ograniczenie tylko do tych substancji, które są rozkładalne,
- mogą powstać produkty oporne na rozkład oraz toksyczne,
- wymaga odpowiedniej populacji mikroorganizmów,
- trudno ocenić warunki funkcjonowania procesu w skali technicznej,
- czas przebiegu jest zazwyczaj dłuższy niż w innych technologiach,
- nie ma ustalonych kryteriów oceny skuteczności procesu.

Bioremediacja jest przykładem zastosowania biotechnologii w ochronie środowiska. Nasilające się zanieczyszczenie środowiska powoduje, że zaczęto szukać nowych lepszych metod usuwania ich. Organizmy żyjące w takim środowisku muszą dostosować swój metabolizm do warunków w nim panujących zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Przykładem takim są bakterie rozkładające węglowodory. Są one poszukiwane i izolowane za pomocą metod biologii molekularnej i już niedługo mogą mieć kluczową rolę w oczyszczaniu środowiska naturalnego.

W wyniku zastosowania procesu manipulacji genetycznej, możliwe jest otrzymanie „ulepszonych’’ szczepów to znaczy takich, które posiadają pożądane cechy (szybszy wzrost, efektywniejsza degradacja toksyn) w porównaniu ze szczepami występującymi naturalnie w środowisku.

Autor: Weronika Gonciarz

Literatura:
1. Barbara Kołwzan, Waldemar Adamiak, Kazimierz Grabas, Adam Pawełczyk; Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska. Wrocław 2006
2. Klimiuk E., Łebkowska M., (2003), Biotechnologia w ochronie środowiska, Wyd. Nauk. PWN, Warszawa.
3. Joanna Nowak, Bioremediacja gleb z ropy i jej produktów.
4. Usman D. Hamza , Ibrahim A. Mohanned, Abdullahi Sale; Potentials of bacterial isolates in bioremediation of petroleum refinery wasterwater. Journal of Applied Phytotechnology in Environmental Sanitation, 1 (3): 131-138.
5. Rojo F.; Degradation of alkanes by bacteria. Environmental Microbiology, 11(10), 2477–2490, 2009.
6. Torres Pazmiño D.E., Winkler M., Glieder A., Fraaije M.W.; Monooxygenases as biocatalysts: Classification, mechanistic aspects and biotechnological applications. Journal of Biotechnology, 146, 9–24, 2010
7. Watkinson R.J., Morgan P.; Physiology of aliphatic hydrocarbon-degrading microorganisms. Biodegradation, 1, 79–92, 1990.


Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

244 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 

Facebook

Gadżety

Sklep e-biotechnologia.pl
Tematyczne kubki, koszulki, bluzy etc.


Zapraszamy do sklepu

Na skróty

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Narodowe Centrum Nauki Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Ośrodek Przetwarzania Informacji PAP - Nauka w Polsce Forum Akademickie Fundacja na rzecz Nauki Polskiej Wirtualna Biblioteka Nauki Scopus NCBI PubMed Nature Science Cell

 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u