BIOREMEDIÁCIÓ Bevezető előadás  

KÖRNYEZETI BIOTECHNOLÓGIA BIOREMEDIÁCIÓ

Biotechnológia

Bio-technológia Biokémia Biológia Kémia Bio- 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

A bennünket körülvevő élő és élettelen világ környezet A bennünket körülvevő élő és élettelen világ biotechnológia biológiai anyagok, folyamatok ipari szintű ki/felhasználása 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 veszélyes anyagok szintetikus anyagok Két fő probléma: - hogyan és hova helyezzük - hogyan távolítsuk el 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)

Környezeti szennyezések szervetlen: fémek, radioaktív anyagok, nitrát, nitrit, foszfát, cianidok, azbeszt, stb… szerves: természetes eredetű (mezőgazd., kommunális hulladék), szintetikus (peszticidek, PAH, halogén tart-ú vegy.-k), petrokémiai (olaj származékok, BTEX), … biológiai: mikroorganizmusok (patogének, vírusok…) légteret szennyező anyagok: 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 5x109 kg/év (talaj gombák) szintetikus úton 2x107 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 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 egy szervezet fiziológiai, biokémiai, vagy molekuláris jellemvonásai, melyekre hat a szennyezés 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 OCT plazmid XYL plazmid NAH plazmid CAM plazmid „Házasság” „Házasság” Strain A Strain B Strain C Strain D Plazmid rekombináció XYL plazmid CAM/OCT plazmid NAH plazmid „Házasság” Strain F Strain E XYL plazmid CAM= kámfor OCT=oktán XYL=xilol NAH= naftalin Strain G NAH plazmid CAM/OCT plazmid

Bioremediáció Remediáció = gyógyítás Bioremediáció 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