SZÉNHIDROGÉN SZENNYEZÉSEK

Szénhidrogén szennyezések Kőolaj eredetű szennyezésekkel az a probléma, hogy szénhidrogének és más szerves anyagok komplex keveréke: alkánok, alkének, elágazó szénhidrogének, cikloalkánok, aromás-, poliaromás vegyületek, kén-, ill. fémtartalmú vegyületek Származási helytől függően az összetétel változó Aerob-, anaerob mikrobiális bontás Aerob lebontás esetén oxigenázok szerepe jelentős Anaerob lebontás Fe(III)-, szulfát redukáló, denitrifikáló körülmények Leggyakoribb bioremediációs eljárások szénhidrogén szenyezések esetén: landfarming (agrotechnikai), biopiling/composting (halmozás/komposztálás), bioventing (levegőztetéssel egybekötött in situ biodegr), biostimulation/bioaugmentation (ásványi-, felületaktív anyagok/mikroorganizmusok alkalmazása) fitoremediáció, bioreaktorok

Szénhidrogén szennyezések a biológiai hatékony és ált. olcsóbb eljárás (számos mikroorganizmus bontja e vegyületek többségét) Mivel sok komponens illékony, ezért számolni kell az abiotikus „veszteséggel” a párolgásnak, diszperziónak, fotooxidációs folyamatoknak köszönhetően a vegyületek hozzáférhetősége, és a szennyezések össztétele befolyásolja a mikrobiális konzorciumok alakulását A lebonthatóság csökkenő tendenciát mutat: n-alkánok > elágazó láncú alkánok > elágazó alkének > alacsony molekulasúlyú n-alkil aromások > monoaromások > ciklusos alkánok > PAH-ok >> aszfaltének Számos mikroorganizmus termel felületaktív anyagot, mely vagy a sejt felszínére vagy az extracelluláris térbe jut

Alifás szénhidrogének (CH) mikrobiális bontása Alkánok (paraffinok), alkének (olefinek), cikloalkánok, alkoholok, ketonok, éterek, epoxidok, észterek, karboxilsavak Számos formája természetes körülmények között is előfordul Ipari alkalmazás – oldószer, tisztítószer, üzemanyag, stb. Toxikus hatás, többségük egészségre ártalmas A környezetünkben élő mikroorganizmusok között sok aerob, anaerob CH bontó fajt találunk, azonban a kőolaj és kőolajszámazékok elbontása (azok összetettsége miatt) nem egyszerű folyamat, leggyakrabban kevert mikrobiális közösségek alakulnak ki e szennyezések elbontására metán hasznosítók, Pseudomonas, Rhodococcus, Acinetobacter, Bacillus fajok

Alifás szénhidrogének aerob lebontása A kezdeti lépéshez molekuláris oxigénre van szükség, monooxigenáz reakció A szubsztrát természetétől és a mikroorg. enzimkészletétől függ, hogy milyen reakció megy végbe Alkánok esetén főleg mono-, diterminális oxidáció Monoterminális oxidáció a fő útvonal: alkohol, aldehid, zsírsav képződik. A zsírsavak β-oxidációja acetil-CoA-t eredményez. A lebontási termékek ált. a TCA ciklusba jutnak A lánchossz növekedésével csökken a vízoldékonyság – lipofil tulajdonság, a hozzáférés csökken – mikróbák válasza: felületaktív anyagok termelése Az elágazások szintén csökkentik a biodegradációs hatékonyságot Aerob szénhidrogén bontó mikroorganizmusok egyik legjelentősebb a csoportja a Rhodococcusok, erős és változatos metabolikus aktivitásuk mellett képesek felületaktív anyagok termelésére is

Alifás szénhidrogének aerob lebontása Alkánokat, alkéneket, cikloalkánokat aerob körülmények között bontó szervezeteket viszonylag könnyen izolálhatunk talajból, vízből, szennyvíziszapból Általában monooxigenáz katalizálta reakciókat figyelhetünk meg, mely során az alkánból alkohol, az alkénekből epoxid vegyületek keletkeznek. A hidroxilált vegyületek sokkal fogékonyabbak a további biokémiai átalakításokra

Példák n-alkán oxidáxió - Pseudomonas oleovorans plazmidon kódolt alkán hidroxilázzal indít Elágazó alifás CH-k bontása - Pseudomonas citronellolis

Éterek bontása

MTBE (metil tercier-butil éter) Izoprén bontása – Rhodococcus sp. MTBE (metil tercier-butil éter) Főleg talajvíz szennyező, adalékanyagként, oldószerként használják Propán hasznosító baktériumok kometabolizmussal bontják - Mycobacterium vaccae

Alifás szénhidrogének anaerob lebontása Oxigén hiányában Folyamat lassú Elektronakceptorként szulfátot vagy nitrátot használnak Pl. szulfátredukálók, vasredukálók, denitrifikálók, metanogének

Példák szénhidrogén szennyezések bioremediációjára Ex situ: Benzin biodegradáció pilot-scale air biofilter Optimalizálás: biofilter mérete, biomassza mennyisége, szennyező anyag koncentrációja, áramlási sebesség On site: Fűtőolaj landfarming In situ: 1. Benzin + nitrát talajszerkezet 2. Benzin + H2O2 katalitikus spontán bomlás kombinált rendszer levegőztetés In situ: Nyers olaj : Exxon Valdez 37 000 tonna (1989 március) műtrágya – biostimuláció baktériumok – bioaugmentáció In situ: Nyers olaj : kombinált gőzextrakció pumpálás és air stripping bioremediáció Felületaktív anyagok - in situ, ex situ

Biofilterek alkalmazása bioreaktorokban Szilárd fázis-gáz fázisú ill. folyadék fázis-gáz fázisú biofilterek ált. Mikroorganizmusok összefüggő felületet képezhetnek (biofilm) szilárd hordozón, melyet bioreaktorba helyezve biofilterként képesek eltávolítani az illékony komponenseket a gőztérből Szilárd hordozó lehet: homok, talaj, komposzt, tőzeg, moha, cellulóz - legyen nedvesség megtartó, nagy porozitású Gáz/gőz fázisú szennyezőket átáramoltatják a biofilteren Lebontási sebesség növelhető: nagy fajlagos felület, nagy biomassza koncentráció megfelelő szubsztrát koncentráció Optimalizálás: koncentráció, áramlási sebesség mivel nagy térfogatokat kell kezelni minél nagyobb sebesség Eredményes, ha az effluensben nincs szennyeződés (valóban lebontás történjen, ne párolgás!)

Bioreaktor biofilterrel illékony szénhidrogén bontására

Landfarm Tipikus „landfarm” sematikus rajza - nagy mennyiségű talaj kezelésére, - relative alacsony költs. nagy a siker valószínűsége ma már kevésbé elfogadott, mivel pl. a finomítókban keletkező iszapot gyakran szennyezés mentes talajjal keverik, és utána bioremediálják. A talaj forgatása során nagy mennyiségű illékony alkotó elpárolog. A kezelés végén, bár a szennyezés nagy része elbomlott, a maradék viszont főleg PAH-okat, egyéb nehezen bomló vegyületeket tartalmaz Tipikus „landfarm” sematikus rajza

Levegőztető rendszerek

Biostimuláció Két megoldás együtt: 1. Customblen: 1989 37 000 t nyersolaj Két megoldás együtt: 1. Customblen: oldékony tápa. polimerizált növényi olaj- kapszulából felszín alatti szennyezésre 2. Inipol EAP22: ásványi anyagokat tart. mikroemulzió felszíni szennyezésre

tengerfelszín tengerfenék fotolizis párolgás Felszíni olajréteg tengeri szervezetek szedimentáció mélytengeri szervezetek tengerfenék

Valdez Oil Terminal

Aerial View of Inipol Treated Test Site - 1989 Untreated Area Treated Area Inipol EAP 22 használata

Alternatív elektronakceptorok A bioremediáció paraméterei között egyik legfontosabb az oxigén. Jelenléte/hiánya alapvetően meghat. a biorem. lehetőségeket Oxigén hiányos körny-ben használhatunk alternatív e- akceptorokat: nitrát, szulfát, Fe(III), Mn(IV), vagy H2O2, MgO2 Az egyes mikróbák esetén a kritikus oldott oxigén szint eltérő. A fakultatív anaerobok nagy jelentőségűek, mivel kevert elektronakceptorok környezetében képesek oxigént ill. nitrátot is hasznosítani, ált. a mikroaerofil környezetben találhatók. Ezek a mikróbák O2 jelenlétében aerob lebontási utakkal metabol., de az oxigénszint lecsökkenése esetén átkapcsolnak nitrát légzésre

Légzési elektrontranszport lánc Szerves szubsztrát

Alternatív elektronakceptorok H2O2 hátránya: gyors lebomlás, toxicitás, költséges MgO2 szilárd állapotban bejuttatva lassan oldódik be Nitrát, szulfát előnyös, mert nem drága, vízben oldódik

BTEX = benzol-toluol-etilbenzol-xilolok Természetes előfordulásuk – nyersolaj, dízelolaj, benzin, Ipari felhasználás: Benzol: műanyag, nylon, peszticidek, festékek eá. Toluol, xilolok: oldószerek p-xilolt tereftálsav gyártásban haszn. Etilbenzol: festékekben, tintában, műanyagokban, peszticidekben Károsak a központi idegrendszerre, légzőrendszerre Benzol: karcinogén Tovaterjedésük: párolgás, talajvíz, vagy talajszemcséhez kötődnek Biodegradáció (ha a körülmények adottak): aerob – katekol-, vagy katekol származékon keresztül anaerob – főleg denitrifikáló körülmények között benzoil coA központi intermedieren keresztül

BTEX vegyületek aerob degradációja Pseudomonas fajok di- vagy monooxigenáz enzimekkel

Bioremediációs lehetőségek BTEX eltávolítására Biostimuláció, bioaugmentáció Illékonyságuk miatt gyakran biofiltert alk. – filterágyon (tőzeg, komposzt, faforgács …) biofilm, szervesanyag és szükséges nedvesség tartalom is a levegőárammal jut a mikrobákhoz Csepegtetőágyas biofilter – szintetikus, szervetlen közeget tart., a tápanyagok folyadék formában. Az előzővel szemben az előnye a pH, nedvességtart. pontosabb tartása Rostágyas bioreaktor – kokultúrában P. putida, P. fluorescens, a bioágyon BTEX tart-ú szennyvizet áramoltattak át, oxigén forrás H2O2 volt (lényege, hogy nem hajtották ki levegővel az illékony bontandó szervesanyagot) Szennyezés környékén végzett biodiverzitás vizsgálat eredménye: Pseudomonas, Mycobacterium, Microbacterium, Azoarcus, Bradyrhizobium fajok Néhány mikroorg-ban egyszerre több toluol bontó út is aktív volt Legtöbb esetben dioxigenáz (todC1, xylE), monooxigenáz (tmo) enzimeket kódoló géneket fogtak ki, sokuk plazmidon kódolt – TOL plazmid

Valósz. annak következménye, hogy milyen e- akceptor van jelen Oxigénlimitált környezetben anaerob terminális elektronfogó folyamatok elkülönült zónákat alkotnak Szerves szennyező forrás metanogének Szulfát redukálók Fe(III) redukálók Nitrát és Mn(IV) redukálók Valósz. annak következménye, hogy milyen e- akceptor van jelen

Zónák kialakulása Szennyeződés után későbbi állapot Eredeti állapot Szennyeződés után közvetlenül Szennyezés Fe(III) redukálók metanogének Harc az e- akceptorokért (ált. a Fe(III) a legbőségesebb) Fe(III) és szulfát jelenlétében a vas- és szulfátredukáló fajok az uralkodók, ha ez az elektronakceptor elfogy, megjelennek a metanogének (vasredukálók elnyomják a szulfátredukálókat is) Ha Mn(IV) és/vagy nitrát jelen van, akkor szinte biztos, hogy először Mn(IV) és/vagy nitrát redukáló zóna alakul ki a szennyeződés körül

Mikrobiális kénmentesítés A nyersolajban 0,05-5%, akár 14%-ban is jelen lehet a kén szerves kénvegyületekben - tiofének üzemanyagokban szerves kéntartalmú vegyületek SOx savas eső Fizikokémiai eltávolítása igen költséges Biodeszulfurizáció: C-S kötés hasítása a C-C kötések megbontása nélkül Főleg Rhodococcus fajok, de leírták Nocardia, Agrobacterium, Mycobacterium törzsekben is Fosszilis üzemanyagokban jelenlévő szerves kénvegyületek

Dibenzotiofén mikrobiális bontása Pseudomonas-sal Szulfát redukálókkal Rhodococcus-sal A kén kénforrásként hasznosul a sejtek számára

Biodeszulfurizációs eljárás sematikus ábrázolása A felszabaduló szervetlen kötésben lévő kén komponensek gátolják az enzimek aktivitását, ezért nagyobb átfolyási sebesség szüks.

Felületaktív anyagok szerepe Surfactants = surface active agents Szintetikus v. bio- egy hidrofil (vízkedvelő) és egy hidrofób (víztaszító) részből állnak =amfifil A hidrofób rész általában egy hosszabb szénhidrogén lánc, a hidrofil „fej” gyakran tartalmaz anionokat v. kaionokat Három csoport: anionos, kationos, nem ionos felületaktív anyagok Növelik a bioremediáció hatékonyságát azáltal, hogy „hozzáférhetővé” teszik a vízben nem, vagy rosszul oldódó (hidrofób) molekulákat Szintetikus anyagok hátránya, hogy nem bomlanak le természetes úton Biofelületaktív anyagok előnye, hogy biológiailag lebonthatók A felületaktív anyagok a sejtek membránjának permeabilitását is befolyásolják, ami lehet pozitív, de negatív hatás is

Felületaktív anyagok szerepe Kis-, nagy molekulasúlyú f.a. - alacsony molekulasúlyú felületaktív a. (glikolipidek, lipopeptidek): csökkentik a fázishatár és a felszíni tenziót - nagy molekulasúlyú f.a. (amfipatikus poliszaharidok, fehérjék, lipopoliszaharidok, lipoproteinek) hatékonyan stabilizálják az ‘olaj a vízben’ emulziót, az olajcseppek emulzifikálásában vesznek részt alacsony koncentrációban (0,01-0,001%) a felületaktív anyag – szénhidrogén arány 1:100- 1:1000 a felületi feszültséget NEM csökkentik A bioemulzifikáló anyagok a sejtszaporodás stacionárius fázisában termelődnek ált., indukálhatók Bizonyos f.a. anyagok natimikrobiális jelleggel bírnak (pl. surfactin)

Termelő mikróbák Felületaktív anyag termelő mikroorganizmusok: Pseudomonas-ok pl.: rhamnolipidek Rhodococcus fajok pl.: glikolipidek Bacillus-ok pl.: lipopeptidek: surfactin Acinetobacter törzsek: nagy molekulas. f.a.: emulzán A mikrobák velük szabályozzák a sejtfelszíni tulajdon-ságaikat – hidrofobicitásukat Termelődésüket a környezeti faktorok befolyásolják. Egyes baktériumok pl. nitrogén éheztetés mellett fokozottan termelnek A felületaktív anyagok jelenléte hátrányos is lehet, főleg nagy konc-ban, a mikroorganizmusok membrán-szerkezetére is hatással lehetnek egyes mikrobák bontják e vegyületeket

Néhány felületaktív molekula szerkezete Glikolipidek: Pseudomonasokra jellemző Rhamnolipidek Trehalolipidek Sophorolipidek egyes élesztőkre jellemző pl. Torulopsis bombicola Rhodococcusokra jellemző

Néhány felületaktív molekula szerkezete Zsírsavak, foszfopeptidek, neutrális lipidek: Lipopeptidek, lipoproteinek: viscosin surfactin subtilisin gramicidin polymyxin Bacillusokra jellemző Acinetobacter-ekben Polimerek: Polimer f.a. pl: emulsan biodispersan liposan

Felületaktív anyag hatása a biodegradációra

liposzómák A fenti liposzóma szerkezet lehetővé teszi vízoldékony tápanyagok kapszulázását Pl. kazein kapszula a mellékelt grafikon szerint jelentősen javította a szénhidrogén bontás sebességét Kisebb molekulák, pl. nitrát kapszulázása nem szerencsés, mert nagyon gyorsan távozik a kapszulából. A kazein olcsó és elég nagy molekula, így jól használható nitrogénforrás