In situ biosanering
Bioremediering är processen att sanera förorenade platser genom användning av antingen endogena eller externa mikroorganismer . In situ är en term som används inom en mängd olika områden som betyder "på plats" och hänvisar till platsen för en händelse. Inom ramen för biosanering indikerar in situ att platsen för biosaneringen har skett på föroreningsplatsen utan att de förorenade materialen har förflyttats. Bioremediering används för att neutralisera föroreningar inklusive kolväten , klorerade föreningar, nitrater, giftiga metaller och andra föroreningar genom en mängd olika kemiska mekanismer. Mikroorganismer som används i processen för bioremediering kan antingen implanteras eller odlas på platsen genom applicering av gödningsmedel och andra näringsämnen. Vanliga förorenade platser som är föremål för biosanering är grundvatten/akviferer och förorenade jordar. Akvatiska ekosystem som påverkas av oljeutsläpp har också visat sig förbättras genom tillämpning av biosanering. De mest anmärkningsvärda fallen är Deepwater Horizon- oljeutsläppet 2010 och Exxon Valdez-oljeutsläppet 1989. Två varianter av biosanering finns definierade av platsen där processen äger rum. Ex situ biosanering sker på en plats skild från den förorenade platsen och involverar translokation av det förorenade materialet. In situ inträffar inom kontamineringsstället In situ bioremediering kan vidare kategoriseras efter den förekommande metabolismen, aerob och anaerob , och efter nivån av mänskligt engagemang.
Historia
Utsläppet från Sun Oil pipeline i Ambler, Pennsylvania , ledde till den första kommersiella användningen av biosanering på plats 1972 för att avlägsna kolväten från förorenade platser. Ett patent lämnades in 1974 av Richard Raymond, Reclamation of Hydrocarbon Contaminated Ground Waters, vilket gav grunden för kommersialiseringen av in situ biosanering.
Klassificeringar av in situ bioremediering
Accelererad
Accelererad in situ bioremediering definieras när en specificerad mikroorganism är målinriktad för tillväxt genom applicering av antingen näringsämnen eller en elektrondonator på den kontaminerade platsen. Inom aerob metabolism kan näringsämnet som tillförs marken enbart vara syre. Anaerob in situ bioremediering kräver ofta en mängd olika elektrondonatorer eller acceptorer såsom bensoat och laktat. Förutom näringsämnen kan mikroorganismer också introduceras direkt till platsen inom accelererad in situ bioremediering. Tillsatsen av främmande mikroorganismer till en plats kallas bioaugmentation och används när en viss mikroorganism är effektiv för att bryta ned föroreningen på platsen och inte hittas vare sig naturligt eller i en tillräckligt hög population för att vara effektiv. Accelererad in situ bioremediering används när den önskade populationen av mikroorganismer inom en plats inte är naturligt närvarande på en tillräcklig nivå för att effektivt bryta ned föroreningarna. Det används också när de nödvändiga näringsämnena på platsen antingen inte är i en koncentration som är tillräcklig för att stödja tillväxt eller är otillgängliga.
Raymond Process
Raymondprocessen är en typ av accelererad biosanering på plats som utvecklades av Richard Raymond och involverar införandet av näringsämnen och elektronacceptorer till en förorenad plats. Denna process används främst för att behandla förorenat grundvatten. I Raymond-processen skapas ett loopsystem. Förorenat Grundvatten från nedströms grundvattenflödet pumpas upp till ytan och infunderas med näringsämnen och en elektrondonator, ofta syre. Detta behandlade vatten pumpas sedan tillbaka ner under vattenytan uppströms där det ursprungligen togs. Denna process introducerar näringsämnen och elektrondonatorer på platsen vilket möjliggör tillväxten av en bestämd mikrobiell population.
Syreinjektion
På kontaminerade platser där den önskade mikrobiella metabolismen är aerob kan införandet av syre till platsen användas för att öka populationen av riktade mikroorganismer. Injektion av syre kan ske genom en mängd olika processer. Syre kan injiceras i underytan genom injektionsbrunnar. Det kan också introduceras genom ett injektionsgalleri. Närvaron av syre inom en plats är ofta den begränsande faktorn när man bestämmer tidsramen och effektiviteten av en föreslagen biosaneringsprocess på plats.
Ozoninjektion
Ozon som injiceras i underytan kan också vara ett sätt att föra in syre i en förorenad plats. Trots att det är ett starkt oxidationsmedel och potentiellt har en toxisk effekt på mikrobiella populationer under ytan, kan ozon vara ett effektivt sätt att sprida syre över hela en plats på grund av dess höga löslighet. Inom tjugo minuter efter att ha injicerats i underytan kommer femtio procent av ozonet att ha sönderfallit till syre. Ozon införs vanligtvis i marken i antingen löst eller gasformigt tillstånd.
Accelererad anaerob in situ bioremediering
Inom accelererad anaerob in situ bioremediering införs elektrondonatorer och acceptorer i en förorenad plats för att öka populationen av anaeroba mikroorganismer.
Övervakad naturlig dämpning (MNA)
Övervakad naturlig dämpning är in situ biosanering som sker med liten eller ingen mänsklig inblandning. Denna process förlitar sig på de naturliga mikrobiella populationerna som upprätthålls inom de förorenade platserna för att över tiden reducera föroreningarna till en önskad nivå. Under övervakad naturlig dämpning övervakas platsen för att spåra biosaneringens framsteg. Övervakad naturlig dämpning används på platser där föroreningskällan inte längre finns, ofta efter att andra mer aktiva typer av in situ biosanering har utförts.
Användning av in situ bioremediering
Kolvätenedbrytning
Naturligt förekommande i marken finns mikrobiella populationer som använder kolväten som energi- och kolkälla. Upp till tjugo procent av mikrobiella jordpopulationer har förmågan att metabolisera kolväten. Dessa populationer kan genom antingen accelererad eller naturlig övervakad dämpning utnyttjas för att neutralisera föroreningar i markens kolväte. Det metaboliska sättet för kolvätensanering är främst aerobt. Slutprodukterna av saneringen för kolväten är koldioxid och vatten. Kolväten varierar i lätthet att nedbrytas beroende på deras struktur. Långkedjiga alifatiska kol är de mest effektivt nedbrutna. Kortkedjiga, grenade och kvartära alifatiska kolväten bryts mindre effektivt ned. Alkennedbrytning är beroende av att mättnaden av kedjan med mättade alkener bryts ned lättare. Ett stort antal mikrober med förmåga att metabolisera aromatiska kolväten finns i jorden. Aromatiska kolväten är också känsliga för att brytas ned genom anaerob metabolism. Kolvätemetabolism är en viktig aspekt av in situ biosanering på grund av hur allvarliga petroleumutsläppen är runt om i världen. Polynukleära aromatiska kols känslighet för nedbrytning är relaterad till antalet aromatiska ringar i föreningen. Föreningar med två eller tre ringar bryts ned i effektiv hastighet, men föreningar som har fyra eller fler ringar kan vara mer motståndskraftiga mot biosaneringsinsatser. Nedbrytning av polynukleära aromatiska kol med mindre än fyra ringar åstadkoms av olika aeroba mikrober som finns i jorden. Under tiden, för föreningar med större molekylstorlek, är det enda metaboliska sättet som har visat sig vara effektivt kometabolism . Svampsläktet Phanerochaete under anaeroba förhållanden har arter med förmåga att metabolisera vissa polynukleära aromatiska kol med användning av ett peroxidasenzym.
Klorerade föreningar
Klorerade alifatiska föreningar
Det finns en mängd olika metaboliska metoder som kan bryta ned klorerade alifatiska föreningar . Anaerob reduktion, oxidation av föreningen och cometabolism under aeroba förhållanden är de tre huvudsakliga metaboliska sätten som används av mikroorganismer för att bryta ned klorerade alifatiska föreningar. Organismer som lätt kan metabolisera klorerade alifatiska föreningar är inte vanliga i miljön. Ett och två kol som har liten klorering är de föreningar som mest effektivt metaboliseras av markmikrobiella populationer. Nedbrytningen av klorerade alifatiska föreningar sker oftast genom cometabolism.
Klorerade aromatiska kolväten
Klorerade aromatiska kolväten är resistenta mot bioremediering och många mikroorganismer saknar förmågan att bryta ned föreningarna. Klorerade aromatiska kolväten bryts oftast ned genom en process av reduktiv deklorering under anaeroba förhållanden. Polyklorerade bifenyler (PCB) bryts i första hand ned genom kometabolism. Det finns också vissa svampar som kan bryta ner dessa föreningar också. Studier visar en ökning av PCB-nedbrytningen när bifenyl tillsätts till platsen på grund av kometaboliska effekter som enzymerna som används för att bryta ned bifenyl har på PCB.
Fördelar
På grund av in situ biosanering som äger rum på föroreningsplatsen finns det en minskad risk för korskontaminering i motsats till ex situ biosanering där det förorenade materialet transporteras till andra platser. In situ biosanering kan också ha lägre kostnader och en högre saneringshastighet än ex situ biosanering.