Biotehnologii de Decontaminare de Metale Grele [PDF]

Zitiervorschau

SPECIALIZAREA INGINERIA SISTEMELOR BIOTEHNICE ȘI ECOLOGICE

- BIOTEHNOLOGII DE DEPOLUARE A SOLULUI DE METALE GRELE –

PROF.: G. Isopencu

STUDENT: GRUPA:

CUPRINS

1. Biotehnologie. Definiție 2. Tipuri de microorganisme implicate în procesul de depoluare microbiologică 3. Procese biotehnologice de depoluare a solului de metale grele 3.1. Fito-extracție 3.2. Biolixiviere în vrac 3.3. Bioacumulare 4. Concluzie 5. Bibliografie

INTRODUCERE În momentul actual, depoluarea, decontaminarea, remedierea și reintroducerea în circuitul normal a solurilor — respectiv transformarea așanumitelor „brown-fields” în „green-fields” este una dintre sarcinile majore avute în vedere pe multiple planuri: legislativ, tehnic, economic, social etc. Datorită numarului practic nelimitat de poluanți și a diferitelor structuri de soluri, nu există o metodă general valabilă pentru remedierea solurilor. Alegerea unei tehnologii de remediere este o activitate complexa, care presupune luarea în considerare a numeroși factori: tipul poluanților, cantitatea de poluanți, dinamica poluanților, caracteristicile hidrogeologice ale solului, factorii climaterici. Nu in ultimul rând contează și aspectele economice, respectiv costurile remedierii.

1. Biotehnologie. Definiție Bio – sugerează utilizarea proceselor biologice; Tehnologie – sugerează realizarea produșilor prin utilizarea de diferite tehnici.

Descoperirile spectaculoase din domeniile biologiei, biochimiei, microbiologiei, geneticii, enzimologiei, precum și necesitatea aplicării acestor cunoştinţe în practică au condus la apariţia unei noi ştiinţe denumită generic “biotehnologie”. Caracterul interdisciplinar al biotehnologiei a creat încă de la început probleme privind definirea şi localizarea ei ca ştiinţă de sine stătătoare. Conform Comisiei pentru Biotehnologie a Uniunii Europene (1996) biotehnologia constă în “aplicarea principiilor inginereşti şi ştiinţifice pentru procesarea materialelor cu ajutorul agenţilor biologici, pentru obţinerea de bunuri şi servicii”. Dintre toate definiţiile, aceea dată biotehnologiei de către Federaţia Europeană de Biologie (1978), pare a fi satisfăcătoare: "Utilizarea integrată a biochimiei, microbiologiei şi ingineriei în scopul obţinerii unei aplicaţii tehnologice (industriale), cu ajutorul microorganismelor, culturilor de celule şi a părţilor componente a

acestora". Simplificând, se poate spune că biotehnologia presupune "utilizarea organismelor sau a produselor derivate de la acestea în scopuri comerciale." În esenţă, principalul scop al biotehnologiei este obţinerea de produse sau servicii utile activităţii umane, cu ajutorul organismelor vii. Procesul de bază în biotehnologie este “proces biologic”, după cum procesul de bază în tehnologia chimică este “procesul chimic”.

Biotehnologia moderna utilizează în genetică pentru a adopta proprietățile microorganismelor plantelor și animalelor prin intervenția direct asupra purtătorului principal de informații. Biotehnologia roșie – este utilizată în scopuri medicale fiind orientată către obținerea de substanțe de diagnosticare: vaccinuri, hormoni. Biotehnologia verde – urmărește modificarea genetică a culturilor și speciilor de plante respective animale și are aplicații în special în domeniul alimentar. Biotehnologia alba – urmărește obținerea la scară industrială de substanțe chimice și bioenergie utilizând procese cu consum energetic redus și o generare mai redusă de deșeuri.

2. Tipuri de microorganisme implicate în procesul de depoluare microbiologică În contextul preocupărilor legate de remedierea solurilor afectate de contaminarea cu metale grele este de mare interes găsirea, izolarea şi selectarea de tulpini bacteriene din chiar habitatele poluate, fiind crescută astfel şansa identificării de tulpini deja adaptate condițiilor de poluare, deci de a găsi microorganisme mai eficiente în acțiunea de îndepărtare din sol a poluantului. Utilizarea microorganismelor prin metoda biologică - utilizarea biomaselor imobilizate în reținerea uraniului și a metalelor grele, reprezintă o cale eficientă și ușor de aplicat, ce permite recircularea și refolosirea biosorbentului. Geobacter mettallireducens este primul microorganism care are capacitatea internă de a detecta metalele și, mai mult, de a se deplasa către ele cu ajutorul flagelilor, care îi cresc spontan în cazul în care sesizează prezența unei surse de hrană. Microroganismele

din genul Geobacter se dezvoltă foarte bine in medii ostile sau poluate, pe care le detoxifiază.

Microorganisme care realizează indepartarea metalelor prin oxidări și utilizări biologice (după DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Braunschweig, Germany, www.dsmz.de/strains/degradtn.htm):

Solul adăposteste cantităţi fenomenale de microorganisme. Fiecare gram de sol poate conţine mii de specii microbiene: bacterii, ciuperci, alge. Doar 5% sunt cunoscute si pot fi izolate si cultivate în laborator. Această biomasă, care se găseste ca atare până la 500 m de adâncime, poate fi considerata precum o imensă masină de spălat biologică si naturală, capabilă de a trata si de a recicla, chiar de a elimina elementele nedorite sau periculoase, precum hidrocarburi le sau metalele grele. Folosind activitatea

unor bacterii, este posibil reducerea caracterului periculos al metalelor prin fixare sau, în opoziţie, a facilita recuperarea lor. Pentru a acoperi nevoile energetice, aceste bacterii vor lua drept hrană, compusi organici, minerali sau lumina, pornind astfel procesul de biodegradare. În stare naturală, aceste microorganisme vor reduce impactul poluării într-un timp destul de lung. Aici, intervine mâna omului astfel încât putem accelera procesul de reabilitarea a terenului. Nu numai bacteriile pot fi folosite pentru depoluarea solurilor: sunt si alte microorganisme precum drojdie sau archaeas. Aceste microorganisme sunt eucaryote, adică au un nucleu care conţine informaţii genetice precum regnului animal. Pot trăi în condiţii extreme de temperatură si presiune si s-a dovedit că pot transforma moleculele.

3. Procese biotehnologice de depoluare a solului de metale grele Contaminarea solului cu metale în urma diverselor activități industrial este la ora actuala o problemă majoră de mediu în întreaga lume. Datorită interacțiilor între diferitele compartimente de mediu contaminanții din sol se redistribuie în toate compartimentele de mediu cu implicații asupra bunei funcționalități a sistemelor biptice natural și stării de sănătate umană. Modul în care metalele se distribuie și transformările suferite depend de proprietățile fizico-chimice ale metaleleor și de parametrii de mediu.

Printre tehnologiile de reabilitare cea mai răspândită în depoluarea solului contaminat cu metale este fitoremedierea în situ cu costuri mici, tehnologie de impact care a primit o atenție primordial în ultimii cincisprezece ani, datorită naturii sale ecologice. Fitoremedierea solului contaminat cu metal include două procese principale:  

Fitostabilizarea – care constă în imobilizarea de metale în sol sau de rădăcini, reducând astfel mobilitatea lor și biodisponibilitatea. Fitoextracția – care identifică procesul de absorbție a contaminanților din sol și translocarea lor din rădăcini în porțiunea deasupra solului din plante.

Avantaje: principalul avantaj al fitoextracției este mediul. Metodele tradiționale, care sunt utilizate pentru curățarea solului contaminat cu metale grele perturb structura solului și reduce productivitatea solului, în timp ce fitoextracția poate curăța solul, fără a provoca nici un fel de daună calității lui. Un alt avantaj al fitoextracției este faptul că este mai puțin costisitoare decât orice alt process. Dezavantaje: deoarece acest process este controlat de plante, este nevoie de mai mult timp decât au nevoie alte metode. Utilizarea de hypersaccumulators erbacee, selectat de specii lemnoase, care sunt rezistente la metal și au un ritm rapid de creștere, un sistem cu rădăcină adâncă, poate fi benefică pentru depoluarea solului. Principalele surse de poluare cu plumb si cadmiu în România sunt industria metalurgiei neferoase (Copsa Mică, Baia Mare, Zlatna). Plumbul este unul din metalele grele, în jurul căruia sunt multe discuții și el, conform hotărârii organizației internaționale de ocrotire a sănătății, este atribuit primilor indici de evaluare a poluării mediului ambient. Pentru decontaminarea unul sol contaminat cu plumb se poate folosi cu bune rezultate o cultura de Brassica Juncea sau culture de Pisum Sativul (mazăre) și Zea Mays (porumb). Acumularea metalelor în frunzele plantelor nu este un process ce se desfăsoara în mod omogen. De exemplu, concentrația de Ni în plantele de Thlaspi Montanum este variabilă în funcție de tipul de țesut în care se acumulează. Plantele din familia Arabidopsis, Nicotina Tabacum au o bună toleranță la ionii metalici dar mai ales la Zn. 3.1. -

Fito-extracţia

este o metodă de decontaminare a solurilor de metale grele (cupru, argint, aur, mercur, cadmiu, plumb). Este bazata pe cultura plantelor având caracteristicile toleranţei si ale acumulării metalelor grele pe

partea lor recoltabilă. Aceste plante acumulatoare sunt capabile, prin fiziologia lor adaptată, de a acumula până la 1% din poluant, faţa de materia lor uscată. Plantele vor fi alese în funcţie de natura poluantului, climatul și biomasa astfel încât pot acumula o cantitate mare de poluanţi. Deseori, solul este contaminat de mai multe metale, ce impun o cultură de mai multe plante. O dată recoltate, sunt incinerate și cenușa va fi stocată într-un loc securizat. Cultura se poate reînnoi până la scăderea concentraţiei acceptabile a metalelor în sol.

Sunt 2 tipuri de fito-extracţie: A. Fito-extracţie continuă: Plantele utilizate sunt capabile să acumuleze însele o importantă cantitate de poluanţi. Aceste plante pot acumula pana la 1% din material lor uscată cu zinc, nichel, seleniu, etc. Aceste plante nu pot trăi fără metale. Sunt numite metalofite. Câteva exemple de plante metalofite:

B. Fito-extracţie indusă Metalele prezente în sol nu sunt întotdeauna solubile în apă (biodisponibile). În acest caz, este recomandată folosirea moleculelor numite « Chelator » pentru eliberarea metalelor. De exemplu, pentru plumb, se recomandă EDTA: acid etilen diamino tetra-acetic. Odată ce planta a ajuns la un nivel optim de creștere, chelatorii le permit să acumuleze metale grele. Printre plantele folosite pentru astfel tip de poluare se numară muștarul și tutunul. Procedeul a fost pus la încercare la Caldarache cu sprijinul programului PHYTODEC și s-a dovedit că 20% din zinc, 60% din cadmiu si 40% din plumb s-a extras din sedimentul folosit pentru experienţă.

Fito-extracţia este o metodă activă. Poluarea poate fi eliminată. O dată ce planta este saturată în poluant, se recoltează si se aduce la un centru specializat unde se poate eventual recicla: este Fito-mining. Plantele nu sunt totuși un remediu miracol pentru depoluare. Plantele, fiziologic, nu pot absorbi decât o parte de metale grele care se găsesc în sol. Trebuie deci, recoltări succesive astfel încât zona să poate fi considerată ca depoluată. Costul depoluării este însă redus și practic se poate cifra pe manopera plantării. În Europa, acest procedeu a avut succes: cel mai ilustru exemplu este cel de Maatheide în Belgia. Tratarea acestui sit, foarte poluat în zinc și cadmiu a fost realizat cu adaosul unui reziduu de incinerare: beringită, și apoi, replantat. Depoluarea s-a desfăsurat intr-un termen de 10 ani.

3.2.

Biolixivierea în vrac

Biolixivierea este o metodă de depoluare exsitu, ceea ce înseamnă că solul poluat va fi evacuat din mediul său natural (prin excavare și pompare), fie definitiv, fie provizoriu pe timpul tratamentului. Biolixivierea bacteriană constă în extracția prin solubilizare cu ajutorul unor bacterii, a metalelor din solul contaminat. Principiul metodei se bazează pe acțiunea unor bacterii care au proprietatea de a oxida metalele, aducându-le la forme ușor solubile. Aceste bacterii se numesc thiobacillus ferrooxidants, sunt prezente în apele de mină și își pot asigura energia prin oxidarea ionului Fe2+ la ionul Fe3+ .. Este bacteria cea mai larg utilizatã în biotehnologiile de biosolubilizare a minereurilor și a concentratelor de metale neferoase. Este o bacterie acidofilă, pH-ul optim pentru creșterea lor este cuprins între 2,0-2,5 dar pot trãi și la valori mai scãzute ale pH-ului, fiind deosebit de rezistente în mediile acide. Din punct de vedere al temperaturii, aceste bacterii sunt mezofile, având domeniul optim de dezvoltare între 25-35 °C. Principiul biolixivierii în vrac Biolixivierea include câteva operații pregătitoare cum ar fi excavarea solului poluat, mărunțirea, umectarea și depunerea lui în gramada pe o suprafață impermeabilă.

După excavare și mărunțire, solul poluat se va depune pe o suprafața nivelată în panta, acoperită cu o folie de policlorură de vinil, peste care se așează un strat de pietriș.

Grămada de sol poluat nu trebuie tasată. Solul poluat va fi stropit prin intermediul unei rețele de stropire cu soluție bilixiviantă. Soluția bilixiviantă conține: Fe2+ și bacterii biolixiviante care oxidează Fe2+ la Fe3+ , deoarece in absenta oxigenului, aceste bacterii sunt capabile sa utilizeze anumiți poluanți anorganici ca acceptor final de electroni în lanțul respiratoriu. Prin avansarea gravitațională în grămada de sol poluat, soluția bacteriană se încarcă, în urma lixivierii bacteriene, cu metale și acizi. Ea este colectată în bazine de recuperare situate sub baza grămezii. Funcție de concentrație în metale și acizi, soluția colectată poate fi pompată la o instalație de recuperare a metalelor (prin cementare cu fier, prin extracție cu solvenți, urmată de electoliză, prin fixare de rășini schimbătoare de ioni etc.), sau poate fi recirculată ca soluție de stropire, după o reajustare a concentrației de bacterii și acid. Se poate afirma că biolixivierea este o metodă simplă, eficientă și ieftină, dar dezavantajoasă din punct de vedere a duratei procesului de decontaminare si a faptului ca se poate aplica doar anumitor categorii de poluanti.

3.3.

Bioacumularea

– regrupează mecanisme diverse asociate acumulării poluanților de către microorganism și plante. Principalii poluanți care se pretează la acest tip de depoluare sunt metalele grele. Acestea nu sunt distruse prin bioacumulare ci doare concentrate în vederea unei distrugeri ulterioare prin alte metode. În mod simplificat, bioacumularea se prezintă sub două forme: 

Bioacumulare pasivă – se definește prin fixarea elementelor poluatoare la suprafața anumitor microorganism sau plante, cum ar fi: Rhizopus, Mucor, Aspergillus și Penicillium – pot fix ape suprafață lor exterioară metale grele (atrag, absorb sau complexează);



Bioacumularea activă – constă în asimilarea poluanților de către celulele microorganismelor și plantelor. Pentru plantele superioare, speciile Thlapsi Coerulescens pentru Zn, Cd, Cu și speciile Alyssum pentru Ni și-au dovedit capacitatea de bioacumulare.

Aplicarea efectivă a acestei metode este deocamdată limitată deoarece impune anihilarea poluanțior concetrați în plante și acest lucru nu are încă metode consecrate de aplicare. De asemenea, durata procesului de decontaminare este lungă (ani de zile).

4. Concluzie În studiul de faţă s-a făcut referire doar la o componentă a mediului înconjurător şi doar la o categorie de poluanţi - metalele grele. Este evident astfel faptul că domeniul remedierii componentelor de mediu afectate de poluare este deosebit de vast. În consecinţă, măsurile de refacere a mediului sunt de obicei costisitoare şi niciodată eficiente 100%, motiv pentru care, în legislaţia actuală, naţională şi europeană, se pune accentul pe principiile prevenirii poluării şi poluatorul plăteşte.

5. Bibliografie 1. ”Tehnologii avansate de bioremediere” – Suport de curs și lucrări practice pentru specializarea Ingineria Sistemelor Biotehnice și Ecologice – Universitatea Babeș-Bolyai Cluj-Napoca; 2. ”Biotehnologii de remediere și biocontrol a solurilor și apelor contaminare cu ioni radioactivi utilizând sisteme microbiene libere și imobilizate în scopul preîntâmpinării dezastrelor ecologice” – Dr.ing. Gheorghe Crutu - http://www.icpmrr.ro/C983-2009.pdf ; 3. Dizertație de absolvire – ”Rolul și locul biotehnologiilor în contextual dezvoltării sustenabile a SSE” – Augustin Ofițeru http://www.mangus.ro/pdf/ecotehnie.pdf ; 4. ”Fitoremedierea solului” – Biotehnologii și Bioremediere – notițe; 5. ”Tehnici ale biotehnologiei în Franța și Belgia – Depoluarea solurilor și apelor” – notiție cursant – Universitatea Valagia din Târgoviște.