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 Anyagi lehetőségek 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 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 kémhatás acidofilek alkalifilek pH=7,0 Szaporodási mértéke

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

Hidrosztatikus nyomás 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 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 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, működik-e 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 biodegradáció hatékonyságát 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 Forrás: National Science & Technology Center. Denver, Colorado

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)